一个国家的集成电路技术水平及其产业规模已经成为衡量其综合国力的重要标志。

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　　全球IC（集成电路）市场的增长与GDP的增长高度相关，相关性从2010年的0.88上升到目前的0.95。芯片产业以几年一个波峰和波谷的趋势在滚动成长。中国企业如何在芯片制造中找到自己的定位和出路？

　　不久前，在复旦大学管理学院“瞰见”对话科创人物系列论坛上，复旦大学微电子学院副院长闫娜与业界科创企业家共同探讨了国内半导体芯片企业如何快速自我迭代等话题，引发了外界的思考与讨论。

　　芯片发展史

　　什么是芯片？芯片是集成电路的核心载体，也是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果，通常是一个可以在电子产品上直接使用的独立整体。现在业内最知名的芯片之一是苹果M1 Max，它基于台积电5纳米工艺，集成了570亿个晶体管。

　　1904年，英国电气工程师发明了人类历史上第一只电子管，即真空二极管，具有整流的作用。两年后，到了1906年初，美国人又发明了第一个能够放大电信号的电子器件，也就是真空三极管，相对于二极管来说实际上是多了一个电极。

　　1946年，美国贝尔实验室开始半导体的研究，这里面有三个核心人物：肖克利、巴丁和布拉顿，他们组成的研究小组研制出了一个点接触型的锗晶体管，英文名称是Trans-Resistor，也可以理解为转换电阻。他们因此共同获得了1956年的“诺贝尔物理学奖”，为集成电路的发展奠定了坚实的基础。

　　基于锗晶体管，美国TI公司（德州仪器）工程师Kilby在1958年成功发明了全世界第一块锗的集成电路，它可以实现相移的振荡器功能。同样，Kilby也因为这一发明获得了2000年的“诺贝尔物理学奖”，这就是最早期的集成电路。

　　以CPU芯片为例来看芯片集成度的提升。1971年，英特尔发明了世界上第一块大规模集成电路，集成了2000多个晶体管，型号是4004CPU。30年后，英特尔在2002年发明的奔腾4处理器采用的是0.13微米工艺，集成的是5500万个晶体管。

　　2012年，英特尔又一次发布了集成14亿个晶体管的处理器CPU，采用的是22纳米工艺。在2022年，苹果发布的M1 Utra芯片集成了1140亿个晶体管。这一芯片是由两颗芯片采用一定的封装形式拼接而成，同时，英特尔宣布它的超级计算机芯片也将拥有超过1000亿个晶体管。

　　复旦大学微电子学院副院长闫娜指出：“综观50年来快速发展历程，我们可以看到整个集成电路的集成度出现了飞速的发展。此外，在存储器芯片方面，人类最聪明的大脑其实就是一个先进的存储器，但是除了大脑之外，我们需要额外的一些存储介质，早期是印刷术，之后到光盘、磁盘再到U盘、硬盘。1967年，施敏博士在贝尔实验室发明了浮栅晶体管，该浮栅晶体管逐步成为了闪存芯片的主流器件，并且创造了今天数百亿美元的闪存芯片市场。可以说，存储器芯片是份额最大的集成电路产品。”

　　总的来说，整个集成电路的发展趋势是速度更快、功耗更低、追求更高效地处理数据，此外存储量也更大。

　　实际上，集成电路的工作速度主要取决于晶体管的特征尺寸，晶体管的特征尺寸越小，该工艺所能够接受的极限工作频率就会越高，开关速度也就越快，相同面积的芯片所能容纳晶体管的数目也就越多，也就是说它的集成度越高，功能也就越强大。

　　集成电路何以重要

　　摩尔定律是1965年由美国科学家、英特尔公司创始人之一戈登·摩尔提出的，当时集成电路才发展了6年，通过对当时各个公司芯片产品的大量调研，他大胆提出了一个预测：集成电路上面的可容纳晶体管数目大约18～24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。现在，这一发展时间可能相应在增长，有可能需要30个月甚至更长，但集成电路的发展趋势大体仍然遵循摩尔定律。

　　描述集成电路工艺水平有几个熟悉的指标：一是特征尺寸，集成电路工艺可以发展到28纳米、14纳米、7纳米、5纳米等；二是晶圆直径，也就是硅片的尺寸，早期硅片尺寸可能有4英寸、6英寸，现在是8英寸，主流的先进工艺则是12英寸。晶圆的尺寸越大，每个晶圆上能制造的集成电路芯片数量也可以越多，整个芯片成本也会大大降低；三是DRAM（动态随机存取内存）的数量，可以用每个DRAM的尺寸、栅间距、金属间距等来评估工艺发展水平；四是晶体管密度。

　　器件的特征尺寸从早期的微米级发展至现在的纳米级。头发丝的横截面积大概在8000平方微米，假设采用10纳米的工艺，在这样一根头发丝的截面上可以制作出50万个晶体管。

　　除了减少特征尺寸、增大硅晶圆的面积外，还有什么办法能提高集成电路的功能、性能、集成度呢？这就需要采用先进的封装形式，比如2.5D、3D等。台积电的CoWoS的集成电路以及Chiplet（芯粒，预先制造好、具有特定功能、可组合集成的芯片）等技术，实际上都是在封装技术上进行的突破。

　　闫娜指出，集成电路技术是全球关注的核心科学技术，集成电路是一切高科技产品和应用的核心。芯片是一个系统的中枢，尤其是随着人工智能的发展，芯片已经可以模拟人脑。例如，配备了1920个CPU芯片的阿尔法狗（AlphaGo）可以战胜围棋世界冠军李世石。汽车自动驾驶技术发展以来，一辆汽车需要配备数百种、上千颗的芯片，这些芯片广泛应用在自动驾驶、智能座舱、车身控制、车载娱乐等方面。

　　可以说，集成电路技术是社会经济发展的一个倍增器。2019年，复旦大学前任校长许宁生曾提出一个观点，认为每1元的集成电路大概可以支撑10元电子信息产品，进一步可支撑300～400元GDP的量值。2000年以后，互联网技术与移动通信技术结合，移动互联网技术逐渐走向全球统一，促进了经济的高速发展。而在互联网技术与移动通信技术快速发展的过程中，集成电路起到了关键的驱动力作用。

　　值得注意的是，在影响中美关系的因素中，集成电路技术占到了非常大的比例。2017年1月6日，美国总统科技咨询委员会发表了一篇题为《确保美国半导体长期领导地位》的报告。时隔五年以后，美国总统拜登在2022年8月9日签署了价值2800亿美元的《2022年芯片与科学法案》，随后还签署了实施该法案的行政令，其目的仍然是确保美国半导体的长期领导地位。

　　闫娜认为，这从各个角度证明，集成电路技术、半导体技术已经深入到了人类生活的方方面面，更涉及到一个国家的国防和军队保障能力。也就是说，一个国家的集成电路技术水平及其产业规模已经成为衡量其综合国力的重要标志。

　　产品发展趋势

　　集成电路产品一般分为两类：一种是模拟产品，还有一种是数字产品。

　　相对来说，模拟产品称为非尺寸依赖的模拟产品，一般在分类上把它划为光电器件、模拟器件、功率器件以及传感器件等。它的特点是不依赖于先进工艺。

　　模拟产品又可以分为分立器件和集成电路。分立器件就是光电子、传感以及功率器件，集成电路则包括放大器、功率芯片、电源管理芯片等。

　　以功率半导体为例，其发展有两个路径：一个路径是在发展分立器件的基础上向硅基器件工艺方向发展；另一个路径是从系统集成角度出发，也就是先进封装，比如异质异构系统的集成。因此，我们需要器件、电路、工艺、封装的协同发展，才能追求更高性能、更低损耗、更低成本，拥有更高可靠性和一致性的功率器件。

　　目前国内的功率产业中，功率二极管是比较有竞争力的，硅基的MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)处于追赶发力的阶段，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）在高铁上实现了较好的应用，三代半导体正处于积极布局、快速发展的阶段。

　　闫娜指出，总的来说，中国应该积极打破模拟芯片产品设计、系统、器件架构、工艺整合的领域界限，以全产业链整合的IDM（Integrated Design and Manufacture，垂直整合制造）形式积极发展整个半导体产业。目前全球领先的以英飞凌、TI这样的生产模拟芯片产品的企业都是以IDM的形式存在的。

　　根据应用，可以把集成电路数字产品分为三大类：处理器、逻辑芯片和存储器。处理器里又可以根据不同应用分为桌面存储、移动应用、图形处理、智能处理、微控制器等；逻辑芯片可以分为FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）、基带处理、网络、密码安全等；存储器根据不同的存储器单元可以分为DRAM和Flash新型存储器。

　　每一种数字产品都有自己的技术发展趋势。对于处理器芯片来说，随着摩尔定律逐渐放缓，特征尺寸的微缩接近极限，基于当前冯·诺依曼（被称为“现代计算机之父”）的处理器单核性能增长缓慢，新型计算架构敏捷开发、异构计算、三维集成、光互联技术是主要的研究方向。而领域专用的协处理器将面向更多特定应用，支持现有的人工智能、物联网、工业互联网等战略新兴领域市场，在2023年到2053年之间，单核性能提升将非常有限，需要突破冯·诺依曼结构，才能实现技术和指标的突破。

　　总的来说，集成电路数字产品面临两种机遇：一种是技术驱动，另外一种则是需求驱动。所谓技术驱动就是从计算架构来引领创新，包括三维集成、可重构以及量子计算等。此外，现有的物联网、自动驾驶以及人工智能的发展对于集成电路数字产品产生了非常大的需求，不同的需求会驱动产生新的、不同形态的集成电路数字产品，推动整个集成电路产业的发展，这是需求驱动。

　　闫娜谈到，目前中国集成电路产业仍然处于高速发展阶段，虽然整体上的供给能力仍然欠缺，但是进口替代需求非常大。过去20年里，在国家大规模投入之下，集成电路产业已经形成了设计、工艺、封测、设备、材料等比较完整的产业链，表现出长足的进步。未来仍然需要继续加大对集成电路产业的研发投入，加大培养集成电路创新人才的力度，实现核心技术突破，这将成为集成电路产业实现跨越发展的关键。

　　产业竞争态势

　　利扬芯片董事兼首席执行官张亦锋对芯片核心产业链的状况进行了梳理。

　　2021年全球半导体产业规模达到5530亿美元，中国大陆目前半导体整体销售额在2000亿美元左右，差不多占到全球1/3。中国集成电路产业第一次突破万亿元人民币的关口，其中，国内芯片设计产业达到4519亿元产值。中国作为芯片消费大国，自主生产的芯片远远不能满足市场的需求，2021年进口芯片达到4300亿美元，芯片多年位列中国进口商品总额第一名，这些进口芯片有50%以上会装到电子产品里再出口，这也是中国作为全球制造基地融入全球化的一个标志。

　　这些年，国家和地方推出很多扶持半导体产业发展的政策。国务院约每隔10年发布一个纲领性的指导文件，早期文件还是以“软件和集成电路……”为抬头。到2020年，国家“新8号文”《新时期促进集成电路和软件产业高质量发展的若干政策》发布，终于把集成电路放到了软件前面，这也说明，国家层面看到了集成电路产业的重要性。同时，该文件也第一次把原先的“封测”修正为“封装、测试”，用于体现这两个产业的不同特点。

　　此外，中国还有“01核高基” 重大专项（核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品）和针对工艺研发的02重大专项（极大规模集成电路制造装备及成套工艺），以及专注于半导体产业投资的大基金资本加持。

　　科创板的推出更为产业发展带来一片欣欣向荣，截至2022年6月30日，科创板共有437家上市企业，其中70家属于集成电路产业。最近20年辉煌成绩的取得都与举国体制下的一系列产业扶植政策的推出密不可分。

　　张亦锋谈道：“中国当前芯片半导体产业面临的竞争态势可以说是‘一超四强我追赶’，这是半导体咨询公司芯谋研究总结的说法。‘一超’指的是美国在该产业里是一个超级大国，美国的产业链是最完善的，企业的竞争力也是全面领先的，尤其在先进工艺、设计、设备、设计软件等方面最为突出；欧洲这些年的‘家底’比较厚实，尤其在功率还有一些汽车电子领域一枝独秀；韩国有三星、海力士等传统企业，从存储领域的积累再拓展到代工，它们在全产业链的竞争力也非常强；中国台湾在集成电路制造和封装上处于世界前列，专业分工的商业模式是其成功的核心竞争力；日本在材料、零部件等领域有多年的积累。总结来说，目前中国大陆处于美欧、日韩、中国台湾之后的第三层级追赶阶段。”

　　目前，中国的芯片制造以及国产化、自主化的能力与国际上的差距还是非常明显。

　　首先，国内的芯片产值有4300亿元人民币，但还有4000多亿美元依靠进口。在全球，中国自主芯片的占比非常小，基本上在5%左右。

　　其次，中国拥有全球最大的电子产品市场，芯片消耗量是最大的。芯片不能自给，从源头上看主要是芯片设计和国外的差距非常巨大。

　　最后，从TOP15的半导体设备公司的统计来看，中国企业的相关营收占比也是非常少，拥有非常广阔的蓝海市场。

　　“总体来说，我们看到了全球芯片供应链在近些年发生了明显变化。以前是全球融合互通，各产业链上下游可以在全球自由发展，但现在受到了贸易脱钩断链、新冠疫情等综合影响而步履维艰。从中国芯片的长远发展来说，希望长三角、京津冀之外的地区能够把第三级（地区）也尽快发展起来，抓住5G和新能源汽车等领域的发展机会，在细分领域实现突破。”张亦锋指出。

　　张亦锋进一步谈到，任何国家、企业都离开全球市场，以闭门造车的方式来发展芯片半导体产业是不现实的，我们最终还是应该努力建立起一个内部小循环和国际大循环相结合的“双循环”体系。芯片产业绝对不能靠闭关锁国来发展，未来产业链要适应新发展形势，寻求一条新的出路。

　　市场机会在哪里？

　　中国发力芯片产业带动了一批科创企业崛起。时擎科技创始人兼董事长蒋寿美认为，只有紧密贴合端侧AI芯片要求的核心技术和能力，才是未来在端侧赛道激烈竞争中脱颖而出的最大保障，以芯为擎，引领万物智能时代。

　　云端的芯片，主要是做训练，像GPU（图形处理器）通用算力的芯片，算力强、延时大，网络带宽要求高，还有安全隐私性的问题，市场增长被巨头垄断，中国要突破的话还是面临比较大的挑战。虽然近两年有很多GPU和DPU（处理器分散处理单元）的创业公司在逐渐成长，包括自动驾驶公司，但总体上这一部分的落地挑战非常大。

　　蒋寿美指出，相对于云端，端侧是做推理的，以专用AI芯片为主，对功耗和成本的要求高，响应要求快，实时性好，没有隐私问题，也可以不依赖于网络，发展势头远大于云端芯片。智能化需求驱动了数据指数级的增长，这些数据需要在端侧进行处理。目前来说，玩家比较多，但是没有形成确定的格局。

　　目前人机交互主要在语音和视觉上。在智能语音方面，比如说像会议宝等，有些语音控制的开关、照明、家用电器、空调，包括车载语音的市场发展规模非常快。到2025年，语音市场核心产品将达到159亿元的规模，带动相关产业接近千亿元，每年增长将超过23%，语音芯片的市场规模约为二三十亿元。

　　视觉主要是图像的识别过程，从影像采集到预处理、选择切割、特征提取、图像对比。应用的方向有安防、金融安全、医学影像、自动驾驶、娱乐行业、会议直播等，对摄像头的需求大，预测到2023年将增至130亿美元。

　　智能家居领域，在一线城市，新房交付要拥有智能化的家居。安防领域，从以前用CPU做识别到现在采用AI引擎，NPU（嵌入式神经网络处理器）摄像头的渗透率越来越高。三大运营商（中国移动、中国电信、中国联通）每年家用摄像头的集采比例也非常高，从几千万元到上亿元不等，目标是取代传统手机或者语音通话，摄像头既可以用于视频通话也可以用做对讲。每年智能家电的替换要达到1.5亿台。

　　蒋寿美还提到，MCU（微控制单位）的芯片从全球分布来说，国外半导体供应商还是占绝对的主导地位，国产半导体比例相对较低，前一段时间缺芯更多是缺MCU，特别是车载MCU，加上新能源发展以后远超传统汽车的芯片需求，在端侧的智能芯片领域也是非常大的市场。

　　本文源自《商学院》杂志2022年11月刊