报告整理：中国工程院吴汉明院士——关于我国芯片制造的思考

昨日，小编在听了吴院士的报告后，受益匪浅，简单整理了下报告内容，分享给大家。

3月17日，中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明发表了题为《关于我国芯片制造的一些思考》的演讲。主要从以下4个方面进行。

为什么我国芯片领域产业化那么艰难？即使大家都知道这很重要。这是因为半导体产业并不是一个单纯的技术，也不是一个单纯的战略，而是一个战略性研究的产业。目前集成电路产业正在面临两大壁垒，分别是政策壁垒和产业性壁垒，其中政治壁垒包括大家都知道的巴统和瓦森纳协议，而产业性壁垒则体现在世界的半导体龙头得益于早期布局，所积累的丰富知识产权，这些都给中国半导体提出了巨大的挑战。

另外，技术层面上，基础研究薄弱，产业技术储备十分匮乏。奇怪的现象是这也集成电路制造工艺极限是由极小(纳米)与超大(万亿晶体管)组合，极大体现在每张300毫米的硅片上有数万亿晶体管。而且投入成本非常大，一个成套工艺研发，要投入70亿人民币，要上千人工作四年，才能完成，由此可以看到集成电路行业的难。

集成电路产业链的环节繁多，从材料、设计、制造、装备、明显的体现了这是个全球化产业。目前，国内产业发展的短板在装备方面。比如，我国在光刻机方面就存在弱项。在检测领域，我国企业很少涉足，因此国内产业在该领域的发展基本是空白。在半导体材料方面，我国光刻胶、掩膜版、大硅片产品几乎都要依赖进口。

制造就是将这些装备、材料运作起来的一步，从沙子到最后的芯片，是典型的全球化产业，过程中涉及日本、德国、中国台湾、美国等各个国家。从工艺流程看，集成电路的制造有三个阶段。第一阶段将沙子提炼出来，通过高温变成单晶片；第二阶段，把设计好的成千上万个晶体管做到硅上去，也就是芯片制造的前道工艺，这是整个芯片制造的核心。第三阶段就是后段封装等。在这三个阶段中，第一步成本非常低，相对成本1%左右，第二阶段占了80%。还有封装占大概19%。吴院士表示，从经费投资就能看出，前道工艺的发展和投资强度很大。

摩尔定律指的是当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。经过60多年的发展后，集成电路产业发生了一些新的变化。随着芯片制程迈过28nm，单个晶体管的成本出现较明显的上升，可以认为芯片业迈进了后摩尔时代。这一背景下，集成电路产业面临着逼近物理极限和成本上升的瓶颈。这就需要芯片行业去寻找新的技术去支撑芯片继续前进。早在20年前，我国科学家许居衍就预测摩尔定律将在2014年左右就开始会失效，但表示硅基的生命还很长。

在后摩尔时代，在高性能计算、移动计算和自主感知等应用的推动下，我们应该增加对逻辑技术、基本规则缩放、性能助推器、PPA缩放、3D集成、内存技术、DRAM技术、Flash技术和新兴非易失存储技术的关注，已达到如下图所示的PPAC目标。

另外，光刻技术很难，这是毋庸置疑的，但芯片制造工艺中技术发展中并不能仅靠光刻机，其中有很多综合因素。摩尔定律中的关键技术同时也是三大瓶颈分别是材料局限性、设备物理局限性、光刻技术局限性，在后摩尔时代，芯片制造工艺也同时面临着基础挑战（精密图形）、核心挑战（新材料新工艺）与终极挑战（提升良率），新材料新工艺将作为成套工艺研发的主旋律。

从原来的130纳米到后来90纳米，到现在3-5纳米，如果没有新的材料，只是通过尺寸的不断缩小，这对性能的提升基本不会有太大作用，效果不显著，只能靠新材料、新工艺研发！

另外，极挑战就是提升良率，这个很重要，往往被高校所忽略，但对于产业却是最重视的一步。为什么高校研究所不去做良率呢，因为他们得不到生产线数据，这个往往会涉及到企业商业机密。

除了技术以外，晶圆厂、研发和设计成本也是芯片产业面临的另一重大挑战，如下图所示，假设一个能生产32nm芯片的产线，需要的成本高达45亿美元，研发成本则高达9亿美金，设计成本也需要1亿美金。到了16nm，晶圆厂的建设成本取到了90亿美元，研发成本增加到18亿美元，设计成本也涨到了22亿美元，整体成本较之32亿美元翻了一番，由此可见芯片持续微缩带来的成本巨大挑战。中小型企业不适合投入，最后是寡头游戏，市场也会呈碎片化趋势。

不过，最近几年芯片每年性能提升速度十分缓慢，已经趋于饱和，但这也给追赶者一个机会，再也不像以前发展那么快了。

目前，对于外界对中国芯片业发展过快、过热的担忧，其实我国的集成电路产业需要重视一个关键问题，那就是产能问题。我国目前的产能是远远不足，出现一些产能过剩的担忧，主要因为很多企业上线了一些不成熟的工艺，导致烂尾，出现的假象。实际上，产能排名前五的晶圆厂包括三星、台积电、美光、SK海力士和铠侠，中国大陆并没有任何一家企业位列其中。随着科技的发展，芯片的产能需求会越来越高，为此我们必须加倍重视产能。如果我们不加速发展，未来中国芯片产能（与先进国家的）差距，将拉大到至少相当于8个中芯国际的产能，因此我们必须加快速度。

我国的机遇在哪里？目前，全球形势变化很快，可以说是百年未有之大变革。 首先，单一的先进的研发工艺将越走越艰难，因此我们必须要有一些特色工艺，包括新的架构等等。 兴业证券数据显示，去年全球芯片制造各个技术节点产能的份额，10nm技术节点以下的先进产能只有17%的份额，而市场83%的份额都是在10nm以上的节点，相对成熟的特殊工艺、市场空间、创新空间依然巨大，有很多机会，对我们中国的芯片制造行业是一个机会。

客观的说，我国现在做3-5nm，去和世界其他国家去拼实力的话，是不成熟的。以现有的条件和能力，做出来后，用户端用不起。所以这是不是有必要去拼？

当前，我国在先进制程的研发上和国外企业相比不占优势，要在系统结构上有巨大的创新空间，依靠国内现有力量，创造出一个“颠覆传统计算机体系结构”的新系统。异构单芯片集成技术的使用就是佐证这点的例子之一。通过异构单芯片集成技术，可以在采用40nm工艺的情况下，根据需求提升芯片的性能。

在先进制程研发不占优势的情况下，我国完全可以运用成熟的工艺，把芯片的性能提升。将特色工艺、先进系统与先进封装技术的结合运用，可以使我国在芯片制造领域大有可为。相比完全进口的7nm，本土可控的55nm意义更大。

另外，努力建设产业引领的科技文化，产业技术不是科研机构转化后的应用开发，而是引导科研的原始动力。目标导向的研究，不看什么新成果，二是看产业技术有什么要求。另外是否赚钱，商业化是否成功是检验技术创新的唯一指标。

对企业与科研院所/高校在创新体系中的关系应该是，我国高校科研院所供给创新驱动，做前沿的技术，例如新结构、新材料等，充分发挥科研院校的创新精神。产业以需求市场作为驱动，而交叉部分的产前技术则是有产学研院所完成的。

另外，做技术研发也需要注意一些事情：

首先，做技术研发必须要有产业引领，千万不要把企业做成一个研究性的企业，光有新技术没有产业支撑，这是一个很大的误区。

其次，可以探索一条做集成电路建设新工科这个途径，新引进、考核、晋升体系，产教融合特色的完整体系，开拓新型人才培养途径，发挥与传统工学院不同的国际方法。

还有就是国内的产业链应该有个支撑，为上下游企业（材料、装备、芯片设计，特种工艺芯片）提供成套工艺验证。

要重视产业链的本土化，要让制造产能实现增长，至少增长率要高于全球。其次，要树立以产业技术为导向的科技文化，技术成果全靠市场鉴定。最后，要加速公共技术研发平台建设，发挥“集中力量办大事”的优势。

1、“中国芯”产业注定艰难芯片制造工艺挑战尤为严峻

2、芯片制造三大挑战:图形转移、新材料&工艺、良率提升

3、后摩尔时代的产业技术发展趋缓,创新空间&追赶机会大

4、重视产业链本土化和制造产能增长(至少增长率要高于全球)

5、树立产业技术导向的科技文化，技术成果全靠市场鉴定

6、加速举国体制下的公共技术研发平台建设

（内容来源于吴汉明院士报告）

2021年5月21-23日 中国·宁波