2020，半導(dǎo)體行業(yè)的8大關(guān)鍵詞

回首半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展歷程，從70多年前一顆小小的晶體管開(kāi)始，到如今已經(jīng)以各種形式滲透與每個(gè)人的生活密不可分，其發(fā)展速度之快讓摩爾定律面臨失效，無(wú)論是以硅為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，還是光刻機(jī)之類(lèi)的半導(dǎo)體設(shè)備，還是存儲(chǔ)芯片的容量大小，幾乎都面臨急需攻克的難題與瓶頸。

回望2020年，一些瓶頸正悄悄找到出口，8個(gè)關(guān)鍵詞得以詮釋這一年來(lái)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。

一、國(guó)產(chǎn)替代

在中美關(guān)系緊張的環(huán)境下，今年中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)異?；馃?。據(jù)天眼查數(shù)據(jù)顯示，截止2020年12月，我國(guó)今年新增超過(guò)6萬(wàn)家芯片相關(guān)企業(yè)，較去年同比增長(zhǎng)22.39%。目前全國(guó)約有24.4萬(wàn)家芯片相關(guān)企業(yè)，超2萬(wàn)家芯片相關(guān)企業(yè)擁有專(zhuān)利。

這是環(huán)境和政策雙重作用下的結(jié)果，尤為明顯的是，在科創(chuàng)板一周年之時(shí)，市值排名前十的公司中，就有包括中芯國(guó)際、滬硅產(chǎn)業(yè)、中微公司、瀾起科技和寒武紀(jì)在內(nèi)的5家公司屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域。

在解決人才短缺問(wèn)題上，也有一些新動(dòng)作：將集成電路學(xué)科設(shè)置為一級(jí)學(xué)科，讓本科畢業(yè)生帶“芯”畢業(yè)的“一生一芯”計(jì)劃項(xiàng)目，成立南京集成電路大學(xué)，無(wú)一不是為國(guó)產(chǎn)替代做準(zhǔn)備。

也有行業(yè)專(zhuān)家參與到“國(guó)產(chǎn)替代”的討論，清華大學(xué)微電子研究所所長(zhǎng)魏少軍認(rèn)為，芯片全面國(guó)產(chǎn)替代指日可待是口號(hào)型的發(fā)展，會(huì)讓政府遭遇很大的壓力。華潤(rùn)微電子代工事業(yè)群總經(jīng)理蘇巍指出，“當(dāng)下國(guó)產(chǎn)芯片自給自足率不足三成，中國(guó)整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展明顯有短板和不足，但是在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，我們看到它率先進(jìn)行突圍，與國(guó)際一流技術(shù)水平差距在縮小?！?/p>

二、黃氏定律

在12月份的英偉達(dá)2020 GTC China大會(huì)上，英偉達(dá)首席科學(xué)家兼研究院副總裁Bill Dally在演講中稱(chēng)，如果我們真想提高計(jì)算機(jī)性能，黃氏定律就是一項(xiàng)重要指標(biāo)，且在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)都將一直適用。 這是“黃氏定律”這一命名首次被英偉達(dá)官方認(rèn)可。

黃氏定律具體是指英偉達(dá)創(chuàng)始人黃仁勛對(duì)AI性能的提升做出的預(yù)測(cè)， GPU將推動(dòng)AI性能實(shí)現(xiàn)逐年翻倍。大會(huì)上，Bill Dally用三個(gè)項(xiàng)目說(shuō)明黃氏定律實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，包括實(shí)現(xiàn)超高能效加速器的MAGNet工具、以更快速的光鏈路取代現(xiàn)有系統(tǒng)內(nèi)的電氣鏈路、全新編程系統(tǒng)原型Legate。

幾十年前，英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出了著名的摩爾定律，從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度成功預(yù)測(cè)幾十年來(lái)集成電路的發(fā)展趨勢(shì)，即每18個(gè)月晶體管數(shù)目和性能提升一倍。當(dāng)下，英偉達(dá)作為當(dāng)下炙手可熱的AI芯片公司，其黃氏定律有望引領(lǐng)未來(lái)幾十年芯片行業(yè)的發(fā)展。

三、寬禁帶半導(dǎo)體

寬禁帶半導(dǎo)體即第三代半導(dǎo)體材料，包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）等新興材料，最初其研究與開(kāi)發(fā)主要用于滿(mǎn)足軍事和國(guó)防需求。寬禁帶半導(dǎo)體的帶隙大于硅半導(dǎo)體的2.2e，能夠有效減小電子跨越的鴻溝，減少能源損耗，因此多應(yīng)有于節(jié)能領(lǐng)域，主要是功率器件。今年年初小米推出氮化鎵快充就是寬緊帶半導(dǎo)體的典型用例。

要讓寬禁帶半導(dǎo)體取代硅基，需要克服成本瓶頸，碳化硅和氮化鎵襯底成本過(guò)高，使得器件成本高于傳統(tǒng)硅基的5到10倍，是阻礙寬禁帶半導(dǎo)體普及的主要原因。不過(guò)，在技術(shù)和工藝的提升下，成本已接近硅基器件。

今年，在各省份的“十四五”規(guī)劃建議稿中，紛紛提及加快布局第三代半導(dǎo)體等產(chǎn)業(yè)。寬禁帶半導(dǎo)體成為2020年乃至往后幾年里中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向之一。

四、8英寸晶圓

晶圓缺貨是半導(dǎo)體行業(yè)常有的現(xiàn)象，但今年受疫情影響以及5G應(yīng)用需求增長(zhǎng)，各個(gè)代工的8英寸晶圓廠產(chǎn)能爆滿(mǎn)，缺貨現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。臺(tái)積電董事長(zhǎng)黃崇仁曾在11月概括晶圓產(chǎn)能緊張現(xiàn)狀，稱(chēng)目前晶圓產(chǎn)能已緊張到不可思議，客戶(hù)對(duì)產(chǎn)能的需求已達(dá)到恐慌程度，預(yù)計(jì)明年下半年到2022年下半年，邏輯、DRAM市場(chǎng)都會(huì)缺貨到無(wú)法想象的地步。

模擬芯片和功率器件需求持續(xù)上漲，與本就現(xiàn)存不多的8英寸晶圓廠產(chǎn)線相擠壓，產(chǎn)能持續(xù)緊張，另一方面導(dǎo)致包括MOSFET、驅(qū)動(dòng)IC、電源管理IC等其他需要在8英寸晶圓生產(chǎn)的芯片或器件的生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，市場(chǎng)價(jià)格紛紛上漲。

根據(jù)TrendForce最新調(diào)查研究，預(yù)計(jì)2020年全球晶圓代工收入將同比增長(zhǎng)23.8%，為十年來(lái)最高，先進(jìn)節(jié)點(diǎn)和8英寸產(chǎn)能成為晶圓代工行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。

五、云上EDA

如果說(shuō)2019年是云上EDA概念普及之年，那么2020年則是云上EDA探索落地之年，無(wú)論是EDA軟件商、IC設(shè)計(jì)企業(yè)以及代工廠，都在實(shí)踐云上EDA。

云上EDA是指在通過(guò)云的方式設(shè)計(jì)芯片，相比通過(guò)傳統(tǒng)的EDA工具設(shè)計(jì)芯片，EDA云平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)眾多，能夠適配EDA工具使用需求、擁有大規(guī)模算力自動(dòng)化智能調(diào)度以及海量的云資源提供彈性算力支持，直接提升芯片的研發(fā)周期和良率，降低芯片設(shè)計(jì)成本。

全球三大EDA提供商之一新思科技目前已經(jīng)同臺(tái)積電共同部署云上設(shè)計(jì)和芯片制造平臺(tái)，幫助臺(tái)積電成為首家實(shí)現(xiàn)云設(shè)計(jì)代工廠；亞馬遜AWS收購(gòu)以色列芯片制造商Annapurna Labs之后，其 Graviton和Inferentia等芯片，從RTL到GDSII全都實(shí)現(xiàn)云上開(kāi)發(fā)。國(guó)內(nèi)也有包括阿里云在內(nèi)的云公司提供EDA機(jī)型配置，平頭哥借助阿里云的全項(xiàng)目上云并結(jié)合服務(wù)器托管方案，設(shè)計(jì)上云實(shí)現(xiàn)10%到50%的性能提升。

SoC設(shè)計(jì)流程，來(lái)源阿里云研究中心&新思科技

對(duì)于云上EDA的未來(lái)，新思科技中國(guó)副總經(jīng)理、芯片自動(dòng)化事業(yè)部總經(jīng)理謝仲輝看好其發(fā)展，認(rèn)為芯片設(shè)計(jì)上云將引領(lǐng)芯片行業(yè)進(jìn)入新的良性循環(huán)，對(duì)于決心投入芯片的互聯(lián)網(wǎng)及系統(tǒng)公司而言是機(jī)遇，也會(huì)讓傳統(tǒng)芯片公司不再局限于芯片的性能和功耗，而是與用戶(hù)應(yīng)用場(chǎng)景緊密結(jié)合并提供更好的服務(wù)體驗(yàn)。

六、5nm

5G落地之年，作為引擎的5G芯片固然不可缺席，在移動(dòng)手機(jī)市場(chǎng)上，也迎來(lái)在5nm戰(zhàn)場(chǎng)上的新一波5G芯片之爭(zhēng)。自2019年底各大芯片廠首發(fā)自家的5G芯片之后，2020年芯片廠商們更執(zhí)著于推出7nm以下先進(jìn)制程的5G芯片，且由外掛5G基帶升級(jí)到集成式SoC。

蘋(píng)果首發(fā)了采用臺(tái)積電5nm工藝制程的A14 Bionic，集成118億晶體管，但依然是用外掛高通驍龍5G基帶。此后華為發(fā)布麒麟9000，成為世界上首個(gè)采用5nm制程的5G手機(jī)SoC，集成153億個(gè)晶體管。

之后，三星發(fā)布Exyons 1080，采用自家的5nm工藝制程和自家的5G基帶，以集成式SoC的設(shè)計(jì)進(jìn)入旗艦行列，將在ViVO的新機(jī)上首發(fā)。

高通驍龍888是2020年最后一款5nm集成式5G SoC，代號(hào)從875變888表達(dá)對(duì)中國(guó)5G市場(chǎng)重要性的認(rèn)可。驍龍888同樣采用三星5nm工藝制程，集成全球首款5nm 5G基帶驍龍X60，能夠提供高達(dá)7.5Gpbs的5G商用網(wǎng)絡(luò)速度。

今年5G芯片的競(jìng)爭(zhēng)尤為激烈，麒麟9000作為國(guó)產(chǎn)芯片的代表能夠與國(guó)際水平一較高下，不過(guò)可惜的是，受中美關(guān)系影響的華為，將無(wú)法參與下一場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

七、3D封裝

3D封裝是一種立體封裝技術(shù)，在X-Y的二維封裝基礎(chǔ)之上向z軸延伸，也是為了突破摩爾定律瓶頸而誕生的一種新技術(shù)，在集成度、性能、功耗等方面有一定優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)自由度高，開(kāi)發(fā)時(shí)間更短，也是各個(gè)芯片廠商爭(zhēng)相角逐的先進(jìn)封裝技術(shù)，在2020年競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步升級(jí)。

臺(tái)積電自2018年首度對(duì)外公布其系統(tǒng)整合單芯片多芯片3D堆疊技術(shù)，陸續(xù)推出2.5D高端封裝技術(shù)CoWoS和扇出型晶圓技術(shù)InFo，搶占蘋(píng)果訂單。今年又針對(duì)先進(jìn)封裝打造晶圓級(jí)系統(tǒng)整合技術(shù)平臺(tái)（WLSI），升級(jí)導(dǎo)線互連間距密度和系統(tǒng)尺寸，推出晶圓級(jí)封裝技術(shù)系統(tǒng)整合芯片（TSMC-SoIC），能夠?qū)⑾冗M(jìn)的SoC與多階層、多功能芯片整合，實(shí)現(xiàn)高速、低功耗、體積小的3D IC產(chǎn)品。

英特爾也于2年前首次展示其名為“Foveros”的3D封裝技術(shù)，在今年架構(gòu)日上公布新進(jìn)展，即“混合鍵合”技術(shù)（Hybrid bonding），以替代傳統(tǒng)的“熱壓鍵合”技術(shù)，加速實(shí)現(xiàn)10微米及以下的凸點(diǎn)間距，提供更好的互連密度、帶寬和更低的功率。 

三星在今年對(duì)外宣布了全新的芯片封裝技術(shù)X-Cube3D已經(jīng)可以投入使用，允許多枚芯片堆疊封裝，三星稱(chēng)其能讓芯片擁有更強(qiáng)大的性能和更高的能效比。

八、存算一體

在AI算法對(duì)算力需求增長(zhǎng)的時(shí)代，馮諾依曼架構(gòu)帶來(lái)的“內(nèi)存墻”問(wèn)題愈發(fā)明顯，即其存儲(chǔ)與計(jì)算在物理上的分離，使得計(jì)算過(guò)程中需要不斷地通過(guò)總線交換數(shù)據(jù)，從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)到CPU，計(jì)算后再寫(xiě)回存儲(chǔ)。由于存儲(chǔ)速度遠(yuǎn)低于計(jì)算速度，大部分時(shí)間和功耗都消耗在總線傳輸上，最終導(dǎo)致傳統(tǒng)芯片算力難以跟上需求。

為解決“內(nèi)存墻”問(wèn)題，基于憶阻器的存算一體技術(shù)被提出，從器件研究到計(jì)算范式研究，直到今年取得新的進(jìn)展。

今年2月，清華大學(xué)微電子所、未來(lái)芯片技術(shù)精尖創(chuàng)新中心錢(qián)鶴、吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)與合作者成功研發(fā)出一款基于多陣列憶阻器存算一體系統(tǒng)，以憶阻器替代經(jīng)典晶體管，打破馮諾依曼瓶頸，以更小的功耗和更低的硬件成本大幅提升計(jì)算設(shè)備的算力，成為第一款基于憶阻器的CNN存算一體芯片。

在2020第五屆全球人工智能與機(jī)器人峰會(huì)（CCF-GAIR 2020）上，清華大學(xué)副教授高濱演講時(shí)表示，存算一體芯片的下一步將是存算一體計(jì)算系統(tǒng)的搭建，在不改變現(xiàn)有變成語(yǔ)言的情況下，計(jì)算能效會(huì)有百倍到千倍的提升。                                                                                                                                    

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