我國(guó)半導(dǎo)體領(lǐng)域未掌握的十大核心技術(shù)

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2022-03-17 08:38:13 1

半導(dǎo)體行業(yè)是典型的“金字塔”結(jié)構(gòu)，越上游的企業(yè)越少，產(chǎn)值越大，技術(shù)難度越高。由于起步晚、核心技術(shù)缺乏、人才短缺，我國(guó)半導(dǎo)體發(fā)展受到了很大的限制，由于未能掌握核心技術(shù)，時(shí)常被別人卡脖子，到目前為止，關(guān)鍵芯片領(lǐng)域仍依賴于進(jìn)口。

2018年的中興事件，我們還歷歷在目！前不久，美國(guó)仰仗其掌握的核心半導(dǎo)體技術(shù)和設(shè)備，升級(jí)了對(duì)華為的制裁，企圖限制華為和我國(guó)在高科技領(lǐng)域的發(fā)展！

美國(guó)拿起了他們的“科技”之矛刺向了我國(guó)“缺芯”的軟肋，在給我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)敲響警鐘的同時(shí)，也讓很多人和很多企業(yè)清醒的認(rèn)識(shí)到，依賴于美國(guó)技術(shù)是靠不住的，唯有掌握核心科技，擺脫技術(shù)依賴才是王道！

目前我國(guó)已經(jīng)將半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展提升到一個(gè)戰(zhàn)略高度，將半導(dǎo)體行業(yè)列為*重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)，投入了大量資金和人才，以求技術(shù)上有所突破，力爭(zhēng)早日走上自主研發(fā)、自給自足的道路。目前涵待突破的是以下幾大領(lǐng)域的核心技術(shù)。

高端光刻機(jī)

作為集成電路產(chǎn)業(yè)的核心裝備，光刻機(jī)被稱為“人類最精密復(fù)雜的機(jī)器”。當(dāng)前全球能制造高端光刻機(jī)的只有荷蘭的ASML，制造中低端光刻機(jī)則是日本的尼康和佳能，它們市場(chǎng)份額超過(guò)八成。

光刻系統(tǒng)，它是芯片制造核心中的核心，光刻是半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過(guò)程通過(guò)光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)，光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。

高端光刻機(jī)堪稱現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花，其制造難度非常大，現(xiàn)在ASML的最先進(jìn)的EUV極紫外線光刻機(jī)已經(jīng)能夠制造5nm制程的芯片了，單臺(tái)光刻機(jī)的售價(jià)已經(jīng)超過(guò)了1億美元，中國(guó)完全自主生產(chǎn)的光刻機(jī)目前只能達(dá)到90nm制程，差了一大截。

光刻機(jī)的研制到底難在哪？光刻機(jī)涉及系統(tǒng)集成、精密光學(xué)、精密運(yùn)動(dòng)、精密物料傳輸、高精度微環(huán)境控制等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，是所有半導(dǎo)體制造設(shè)備中技術(shù)含量最高的設(shè)備。ASML為能夠在整個(gè)設(shè)備的不同部位同時(shí)獲得*上最先進(jìn)的技術(shù)，ASML的光刻機(jī)中超過(guò)90%的零件都是向外采購(gòu)的，ASML在技術(shù)研發(fā)方面匯聚了*最前沿最*的科技，比如德國(guó)的機(jī)械工藝、德國(guó)*的蔡司鏡頭、美國(guó)的光源和計(jì)量設(shè)備等，可以說(shuō)ASML的高端光刻機(jī)是“集人類智慧大成的產(chǎn)物”。

國(guó)際*廠商：ASML阿斯麥爾（荷蘭）

中國(guó)廠商：SMEE上海微電子

CPU

CPU是一塊超大規(guī)模的集成電路，是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。它的功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。中央處理器主要包括運(yùn)算器（算術(shù)邏輯運(yùn)算單元）和高速緩沖存儲(chǔ)器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線。它與內(nèi)部存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備合稱為電子計(jì)算機(jī)三大核心部件。CPU依靠指令來(lái)自計(jì)算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設(shè)計(jì)時(shí)就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。指令的強(qiáng)弱也是CPU的重要指標(biāo)，指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。

美國(guó)的英特爾、AMD，幾乎基本占據(jù)了全球所有PC市場(chǎng)。國(guó)產(chǎn)CPU的應(yīng)用領(lǐng)域既涵蓋了嵌入式設(shè)備、服務(wù)器設(shè)備等專業(yè)領(lǐng)域，也同時(shí)面對(duì)消費(fèi)級(jí)民用市場(chǎng)。由于服務(wù)對(duì)象和應(yīng)用領(lǐng)域的巨大分歧，不同類型的國(guó)產(chǎn)CPU在國(guó)人心中存在感相去甚遠(yuǎn)，如專門(mén)針對(duì)服務(wù)器的飛騰、申威等，知名度不高。

CPU發(fā)展迅速，主頻、算力和功耗是衡量其性能的重要指標(biāo)。作為后來(lái)者，中國(guó)的研制水平總是離*先進(jìn)水準(zhǔn)差一截，如龍芯的性能似乎總跟著英特爾后面跑，龍芯是中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所自主研發(fā)的通用CPU，采用RISC指令集，類似于MIPS指令集。不過(guò)，龍芯的研制成功助力復(fù)興號(hào)高鐵實(shí)現(xiàn)了100%國(guó)產(chǎn)，讓四代機(jī)殲20相控雷達(dá)和北斗衛(wèi)星都裝上了中國(guó)芯。

在移動(dòng)端的CPU領(lǐng)域，美國(guó)高通的地位依然不可撼動(dòng)。華為海思的麒麟CPU做的已經(jīng)足夠好，雖然是站在英國(guó)ARM這個(gè)巨人的肩膀上的。紫光展銳在移動(dòng)端的CPU芯片上也有所斬獲。但令人氣憤的是，最近美國(guó)將對(duì)華為的制裁升級(jí)，企圖限制華為在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域的發(fā)展，麒麟CPU的未來(lái)還是個(gè)未知數(shù)。

國(guó)際*廠商：Intel英特爾（美國(guó)）、AMD（美國(guó)）

中國(guó)廠商：華為海思、紫光展銳、龍芯中科（龍芯CPU）、天津飛騰（飛騰CPU）、上海兆芯（兆芯CPU）等

EDA芯片設(shè)計(jì)軟件

目前國(guó)際上主要有三大集成電路EDA軟件公司，分別是Mentor Graphics、Cadence和Synopsys。這三家美國(guó)公司在EDA行業(yè)的市占率幾乎形成了壟斷。而目前能涵蓋整個(gè)芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的EDA提供商只有Cadence和Synopsys。

英特爾、蘋(píng)果和高通等芯片生產(chǎn)與設(shè)計(jì)大廠都需要向這兩家公司采購(gòu)EDA軟件和相關(guān)服務(wù)。中國(guó)*芯片設(shè)計(jì)公司華為海思、長(zhǎng)江存儲(chǔ)、紫光展銳等都要向這些美國(guó)公司購(gòu)買(mǎi)EDA設(shè)計(jì)軟件。

國(guó)內(nèi)的EDA廠商華大九天、芯禾科技、廣立微等只能提供部分EDA設(shè)計(jì)工具，無(wú)法提供覆蓋IC 設(shè)計(jì)、布線、驗(yàn)證和仿真等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的EDA工具。而且國(guó)產(chǎn)EDA軟件和先進(jìn)工藝的結(jié)合不好，對(duì)先進(jìn)工藝的芯片支持不夠。所以，國(guó)產(chǎn)EDA公司的技術(shù)能力還遠(yuǎn)無(wú)法和這些國(guó)際*EDA公司抗衡。

國(guó)際*廠商：Mentor Graphics（美國(guó)）、Cadence（美國(guó)）、Synopsys（美國(guó)）

中國(guó)廠商：華大九天、芯禾科技、廣立微等

DRAM/NAND Flash

DRAM即動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，最為常見(jiàn)的系統(tǒng)內(nèi)存。美國(guó)鎂光、韓國(guó)三星和SK海力士占據(jù)*壟斷地位，在DRAM市場(chǎng)呼風(fēng)喚雨。

中國(guó)三大存儲(chǔ)芯片企業(yè)長(zhǎng)江存儲(chǔ)、合肥長(zhǎng)鑫、兆易創(chuàng)新，紛紛開(kāi)始布局，投產(chǎn)存儲(chǔ)芯片，有望打破韓美日壟斷存儲(chǔ)芯片的局面。

長(zhǎng)江存儲(chǔ)今年實(shí)現(xiàn)了64層基于Xtacking架構(gòu)3D NAND閃存的量產(chǎn)，緊接著他們直接跳過(guò)業(yè)界常見(jiàn)的96層，成功研發(fā)出128層3D NAND閃存。

合肥長(zhǎng)鑫于2019年實(shí)現(xiàn)了采用19nm工藝的8G DDR4內(nèi)存的量產(chǎn)，并于今年將自主研發(fā)的光威弈PRO DDR4內(nèi)存正式商用，推向消費(fèi)者市場(chǎng)。

兆易創(chuàng)新在NOR flash國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率為*，同時(shí)也是全球NOR flash排名前三的供應(yīng)商之一，目前正逐步向NAND flash擴(kuò)張，并積極布局DRAM業(yè)務(wù)。

DRAM是這幾大待突破的半導(dǎo)體核心技術(shù)中，最有可能大規(guī)模國(guó)產(chǎn)化的一項(xiàng)技術(shù)，值得期待。

國(guó)際*廠商：鎂光（美國(guó)）、三星（韓國(guó)）、SK海力士（韓國(guó)）等

中國(guó)廠商：長(zhǎng)江存儲(chǔ)、合肥長(zhǎng)鑫、兆易創(chuàng)新

超高射頻芯片

射頻芯片指的就是將無(wú)線電信號(hào)通信轉(zhuǎn)換成一定的無(wú)線電信號(hào)波形，并通過(guò)天線諧振發(fā)送出去的一個(gè)電子元器件。射頻芯片架構(gòu)包括接收通道和發(fā)射通道兩大部分。對(duì)于現(xiàn)有的GSM和TD-SCDMA模式而言，終端增加支持一個(gè)頻段，則其射頻芯片相應(yīng)地增加一條接收通道，但是否需要新增一條發(fā)射通道則視新增頻段與原有頻段間隔關(guān)系而定。

中國(guó)是*最大的手機(jī)生產(chǎn)國(guó)，但造不了高端的手機(jī)射頻器件，這需要材料、工藝和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的踏實(shí)積累。國(guó)內(nèi)從事中低端射頻芯片的企業(yè)眾多，也占據(jù)了相當(dāng)一部分市場(chǎng)，但在高端射頻芯片領(lǐng)域，仍有較大上升空間。

國(guó)際*廠商：Skyworks思佳訊（美國(guó)）、Qorvo威訊聯(lián)合（美國(guó)）等

中國(guó)廠商：紫光展銳、唯捷創(chuàng)芯、中普微等

CPLD/FPGA

CPLD是從PAL和GAL器件發(fā)展出來(lái)的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。

FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

進(jìn)入FPGA這個(gè)行業(yè)的門(mén)檻很高。過(guò)去十多年時(shí)間里，Intel、IBM、摩托羅拉、飛利浦、東芝、三星等60多家公司曾試圖涉足該領(lǐng)域，除Intel以167億美元收購(gòu)阿爾特拉成功進(jìn)軍該領(lǐng)域之外，其余公司紛紛折戟沉沙。目前的FPGA市場(chǎng)，F(xiàn)PGA巨頭都在美國(guó)，Xilinx，Altera，Lattice，Actel，Atmel，Avago，Cypress等，各自都有自己的獨(dú)門(mén)秘密武器。其中Xilinx是全球FPGA的霸主，千萬(wàn)門(mén)級(jí)，16納米的*者；Actel是反熔絲的先驅(qū)，宇航級(jí)的開(kāi)拓者，其他任何一家的產(chǎn)品，都是工業(yè)級(jí)、軍工級(jí)，宇航級(jí)產(chǎn)品不可缺少的核心芯片，也是全**從事*科技的短板和苦主。其中，Xilinx（賽靈思）和Altera（阿爾特拉）兩家公司占據(jù)了90%的市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)廠商在技術(shù)水平上和國(guó)外大廠的差距很大。雖然國(guó)內(nèi)FPGA廠商有百家爭(zhēng)鳴之勢(shì)，但基本分布在中低端市場(chǎng)，大多是一些1000萬(wàn)門(mén)級(jí)左右的FPGA，少數(shù)達(dá)到2000萬(wàn)門(mén)級(jí)的FPGA雖然也有自主研發(fā)的。中國(guó)電科專用領(lǐng)域的3500萬(wàn)門(mén)級(jí)FPGA和中國(guó)電子7000萬(wàn)門(mén)級(jí)FPGA，是一次重大技術(shù)突破。

紫光同創(chuàng)持續(xù)引領(lǐng)中國(guó)FPGA產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)*千萬(wàn)門(mén)級(jí)FPGA產(chǎn)品的量產(chǎn)出貨后，加速啟動(dòng)研制并陸續(xù)補(bǔ)充完善3000萬(wàn)門(mén)以下規(guī)模中低端器件的全部產(chǎn)品型號(hào)，其中Logos和Compact全系列器件已經(jīng)量產(chǎn)，Logos2和Titan2系列器件將于今年全部上市量產(chǎn)，可以滿足國(guó)內(nèi)所有中低端應(yīng)用需求，市場(chǎng)份額覆蓋60%左右，基本能夠滿足中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展需求。

國(guó)外*廠商：Xilinx賽靈思（美國(guó)）、Altera阿爾特拉（美國(guó)）等

中國(guó)廠商：深圳紫光同創(chuàng)、上海復(fù)旦微電子、京微齊力等

DSP芯片

DSP芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的芯片。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來(lái)快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。

DSP芯片自誕生以來(lái)得到了飛速發(fā)展，一方面得益于集成電路的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場(chǎng)。在短短二十年時(shí)間里，DSP芯片已在信號(hào)處理、通信、雷達(dá)、圖像、軍事、儀器、自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

目前，全球DSP芯片市場(chǎng)仍是巨頭壟斷，德州儀器、ADI、飛思卡爾、Motorola公司等都是這個(gè)行業(yè)的佼佼者。國(guó)產(chǎn)DSP芯片起步晚， 2006年中電十四所與龍芯公司合作開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)DSP芯片。2012年它們研發(fā)的 “華睿1號(hào)”性能優(yōu)于飛思卡爾公司的MPC8640D，2017年，國(guó)產(chǎn)DSP芯片“華睿二號(hào)”走向市場(chǎng)。

國(guó)外*廠商：TI德州儀器（美國(guó)）、ADI亞德諾半導(dǎo)體（美國(guó)）等

中國(guó)廠商：中電14所、中電38所、湖南進(jìn)芯電子、北京中星微電子等

GPU

又稱顯示核心、視覺(jué)處理器、顯示芯片，是一種專門(mén)在個(gè)人電腦、工作站、游戲機(jī)和一些移動(dòng)設(shè)備（如平板電腦、智能手機(jī)等）上圖像運(yùn)算工作的微處理器。用途是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所需要的顯示信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)，并向顯示器提供行掃描信號(hào)，控制顯示器的正確顯示，是連接顯示器和個(gè)人電腦主板的重要元件，也是“人機(jī)對(duì)話”的重要設(shè)備之一。

提到GPU，最先想到的是英偉達(dá)，它占據(jù)全球GPU市場(chǎng)一半以上的市場(chǎng)份額，AMD的GPU也占有一席之地。中國(guó)的GPU企業(yè)尚未形成巨大規(guī)模，相關(guān)技術(shù)也在積極研制之中，目前國(guó)內(nèi)在研究GPU的企業(yè)有上海兆芯、華為、圖芯、天數(shù)智芯，華夏芯、芯視圖、中船重工709所、中航631所等。據(jù)OFweek電子工程網(wǎng)編輯獲悉，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司研究的完全具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的凌久GP101，刷新了我國(guó)在國(guó)產(chǎn)顯卡領(lǐng)域的空白，凌久GP101是一款高性能低功耗的，圖形處理芯片，要和歐美等先進(jìn)廠商相比，還有很大的距離，它要達(dá)到**水平，還有漫長(zhǎng)的路要走。

國(guó)外*廠商：Imagination（英國(guó)）、高通（美國(guó)）、NVIDIA英偉達(dá)（美國(guó)）、AMD（美國(guó)）等

中國(guó)廠商：景嘉微、上海兆芯

MPU

MPU又叫微處理器或內(nèi)存保護(hù)單元。MPU是單一的一顆芯片，而芯片組則由一組芯片所構(gòu)成，早期甚至多達(dá)7、8顆，但目前大多合并成2顆，一般稱作北橋（North Bridge）芯片和南橋（South Bridge)芯片。MPU是計(jì)算機(jī)的計(jì)算、判斷或控制中心，有人稱它為”計(jì)算機(jī)的心臟”。

英特爾、高通、三星、飛思卡爾、聯(lián)發(fā)科及展訊等供應(yīng)商是這個(gè)市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。國(guó)產(chǎn)的MPU市場(chǎng)占有率非常小，幾乎為零，華大、華為、紫光國(guó)芯等企業(yè)在加大研發(fā)相關(guān)技術(shù)。

國(guó)外*廠商：Intel英特爾（英國(guó)）、高通（美國(guó)）、飛思卡爾（美國(guó)）等

中國(guó)廠商：紫光展銳、聯(lián)發(fā)科

半導(dǎo)體原材料

半導(dǎo)體制造材料主要包括硅片、電子氣體、光掩膜、光刻膠配套化學(xué)品、拋光材料、光刻膠、濕法化學(xué)品與濺射靶材等。

全球半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)依然由日、美、韓、德等*占據(jù)*主導(dǎo)。中國(guó)半導(dǎo)體材料在靶材、封裝基板、研磨液、光刻膠等細(xì)分領(lǐng)域產(chǎn)品已經(jīng)取得較大突破，部分產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到全球*水平，但是整體水平上和國(guó)際*水平還有較大的差距。

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