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來源: 澎湃新聞 ·“中國集成電路產(chǎn)品的發(fā)展有自身特點，以中低端為主，高端產(chǎn)品不是太多，但也不是沒有。”在魏少軍看來，我們已經(jīng)有了相當可觀的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，也有了完整的產(chǎn)品體系，下一步的發(fā)展是從追趕到并行，并在部分領(lǐng)域逐漸實現(xiàn)領(lǐng)跑。 ·除了新器件、新材料、新工藝持續(xù)往前發(fā)展，魏少軍認為，未來集成電路發(fā)展有兩條新路徑：一是芯片架構(gòu)的創(chuàng)新，另一條路是采用微納系統(tǒng)集成的方式使得產(chǎn)品能夠異軍突起。 
歐亞科學(xué)院院士、清華大學(xué)和北京大學(xué)雙聘教授魏少軍在上海集成電路大師講堂演講。 “中國集成電路設(shè)計業(yè)的發(fā)展是不容忽視的一大亮點”。8月30日，2022“海聚英才”上海集成電路大師講堂第二期“設(shè)計篇”在上海集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)園開講。歐亞科學(xué)院院士、清華大學(xué)和北京大學(xué)雙聘教授魏少軍在演講中回溯了集成電路設(shè)計業(yè)發(fā)展的歷史，并介紹了當下中國集成電路設(shè)計業(yè)發(fā)展的最新進展與挑戰(zhàn)。在他看來，破解半導(dǎo)體微縮瓶頸的方法除了新器件、新材料、新工藝持續(xù)往前發(fā)展還有芯片架構(gòu)創(chuàng)新以及采用微納系統(tǒng)集成兩種新路徑。 上海集成電路“大師講堂”系列活動（第二期）由上海市人才辦、市經(jīng)濟信息化委、市發(fā)展改革委、市科委等部門聯(lián)合主辦，旨在匯聚英才、吸引資源共同打造世界級集成電路產(chǎn)業(yè)集群。 “半導(dǎo)體、微電子、集成電路”三者的區(qū)別 “我經(jīng)常會被人問到，你們從事集成電路的人，一會說半導(dǎo)體，一會說微電子，一會說集成電路，這三個詞到底是不是一回事？” 魏少軍以三個名詞的科普開始了自己的演講。他解釋，這三個詞并不是一回事。半導(dǎo)體講的是一種材料，集成電路是構(gòu)筑在半導(dǎo)體材料上的一種器件，微電子則是在半導(dǎo)體材料上構(gòu)建集成電路的方法和工藝。雖然各有不同，但大家平時很少嚴格區(qū)分，原因在于很難把三者絕對割裂。 上世紀50年代，科學(xué)家致力于發(fā)展的是半導(dǎo)體，有了半導(dǎo)體專業(yè)；到了80年代，如何在半導(dǎo)體上構(gòu)建集成電路更受關(guān)注。由于對工藝、方法、技術(shù)了解不多，因此這一時期集中精力掌握微電子相關(guān)知識，于是成立了微電子所、微電子學(xué)院、微電子專業(yè)；2020年以后，“我們看到我們最終實際上要實現(xiàn)的是集成電路的產(chǎn)品。我們對半導(dǎo)體材料和微電子技術(shù)的了解，目標是要構(gòu)建集成電路。”因此，2020年12月底，集成電路正式被設(shè)置為一級學(xué)科。一批高校也相繼成立集成電路學(xué)院。 “從半導(dǎo)體、微電子到集成電路三部曲，最終我們還是把它聚焦到集成電路產(chǎn)品上。”魏少軍表示，集成電路設(shè)計永遠站在產(chǎn)品開發(fā)的第一線。所謂集成電路設(shè)計，從技術(shù)角度看，是指從應(yīng)用出發(fā)，抽取出相應(yīng)的設(shè)計規(guī)格，設(shè)計工程師利用各種設(shè)計工具完成電路設(shè)計，再交由集成電路制造廠制造出集成電路產(chǎn)品。集成電路設(shè)計的另一道含義是指商業(yè)模式。在EDA、IP、設(shè)計服務(wù)、裝備材料等支撐下，依托集成電路制造、封測，最終實現(xiàn)集成電路產(chǎn)品服務(wù)于客戶。 集成電路設(shè)計崛起受益于代工模式 追溯集成電路設(shè)計業(yè)的快速發(fā)展，其得益于產(chǎn)業(yè)分工的細化，尤其是與其相輔相成的代工企業(yè)的崛起。 1984年，全球首家Fabless（無晶圓IC公司，主要是設(shè)計公司）企業(yè)賽靈思成立，開創(chuàng)了芯片設(shè)計業(yè)的先河。但芯片設(shè)計的快速崛起始于1987年臺積電成立。 “設(shè)計公司的產(chǎn)品需要找工廠加工，但之前都是一些非專業(yè)的加工，碰到了很多麻煩，產(chǎn)品有了問題后兩者會扯皮，到底是制造的問題，還是設(shè)計的問題。臺積電出臺的標準化讓所有設(shè)計公司有章可循，只要按照它的標準來做設(shè)計保證能成功，不成功就賠錢。” 由于晶圓制造成本快速飆升，而Fabless資產(chǎn)輕、初始投資規(guī)模小、對市場需求反應(yīng)快速、轉(zhuǎn)型相對靈活等特點使得其備受青睞。到1990年前后，高通、英偉達、聯(lián)發(fā)科等大量Fabless公司成立，F(xiàn)abless迅速崛起。數(shù)據(jù)顯示，1994年-2010年，集成電路設(shè)計業(yè)處于井噴期，收入的年均復(fù)合增長率達21.66%，同期IDM（集芯片設(shè)計、制造、封測等多個環(huán)節(jié)于一體）的年均復(fù)合增長率為4.7%。2010年-2021年，集成電路設(shè)計業(yè)收入的年均復(fù)合增長率降至10%，但仍高于同期IDM的4.5%。2010后，F(xiàn)abless進入穩(wěn)定發(fā)展期，2021年占比升至31.6%。 魏少軍表示，這表明設(shè)計+代工的商業(yè)模式展示了非常強的生命力。對于代工廠而言，設(shè)計公司生產(chǎn)訂單的填充使得代工廠具備規(guī)模效應(yīng)，攤薄單位成本，進而能獲取更多設(shè)計公司的生產(chǎn)訂單。對于設(shè)計公司而言，代工廠的生產(chǎn)成本降低，也就降低了設(shè)計公司的進入門檻，進而催生了更多設(shè)計公司。 中國芯片設(shè)計業(yè)已具可觀規(guī)模 就中國而言，近年來芯片設(shè)計業(yè)的發(fā)展之快有目共睹。據(jù)介紹，2021年，中國芯片設(shè)計企業(yè)已超2800家，全行業(yè)銷售預(yù)計為4586.9億元，同比增長20.1%。2021年中國已有400余家設(shè)計企業(yè)年銷售額超過1億元，兩三家企業(yè)超過100億元，相當一批企業(yè)超過了10億元。 從集成電路設(shè)計的區(qū)域銷售情況來看，長江三角洲地區(qū)占據(jù)半壁江山，京津環(huán)渤海地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)緊隨其后；去年所有銷售規(guī)模進入前10的城市設(shè)計業(yè)銷售增速都超過了60%，其中增速最高的城市是濟南，增速達到了193.9%。 從2021年的發(fā)展來看，消費類電子占到較大分量，通信占比略微下降。但通信在集成電路發(fā)展中一直占有非常重要的歷史地位，魏少軍認為隨著關(guān)鍵技術(shù)突破以后，中國在通信、計算機電子方面的發(fā)展指日可待。 “中國集成電路產(chǎn)品的發(fā)展有自身特點，以中低端為主，高端產(chǎn)品不是太多，但也不是沒有。”在魏少軍看來，我們已經(jīng)有了相當可觀的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，也有了完整的產(chǎn)品體系，下一步的發(fā)展是從追趕到并行，并在部分領(lǐng)域逐漸實現(xiàn)領(lǐng)跑。 魏少軍表示，集成電路設(shè)計的最終目標是集成電路產(chǎn)品，與用戶的關(guān)系非常緊密，因此要緊緊與客戶聯(lián)系，理解他們的應(yīng)用，了解他們的需求，以創(chuàng)新為動力驅(qū)動發(fā)展，“中國的應(yīng)用如果要走到世界前列，芯片設(shè)計人員必須站在時代潮頭，勇當弄潮兒，才能引領(lǐng)產(chǎn)品發(fā)展。” 集成電路設(shè)計業(yè)的挑戰(zhàn)與破題 經(jīng)過多年發(fā)展，集成電路設(shè)計業(yè)當下有哪些新的發(fā)展趨勢，又面臨哪些挑戰(zhàn)？ 魏少軍介紹，在尺寸微縮技術(shù)下，單個芯片上可以集成的晶體管數(shù)量是天文數(shù)字，比如5納米工藝下，一個平方毫米上可以集成大約1.1支晶體管，系統(tǒng)復(fù)雜度極其高。 但一方面，集成電路集成度在不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域在拓展；另一方面，今天的半導(dǎo)體微縮技術(shù)已經(jīng)逼近物理極限，未來必然會受到限制。此外，芯片設(shè)計還面臨速度、功耗、靈活性、軟硬件協(xié)調(diào)配合應(yīng)用的困境。 除了新器件、新材料、新工藝持續(xù)往前發(fā)展，魏少軍認為，未來集成電路發(fā)展有兩條新路徑：一是芯片架構(gòu)的創(chuàng)新，另一條路是采用微納系統(tǒng)集成的方式使得產(chǎn)品能夠異軍突起。 其中，應(yīng)用定義軟件、軟件定義芯片，帶來了全新計算模式，是架構(gòu)上的創(chuàng)新。所謂軟件定義芯片，是將軟件劃分成可以在基元（即多功能的計算單元）陣列上運行的子任務(wù)，按照任務(wù)依賴關(guān)系將子任務(wù)逐塊映射到基元陣列上運算。這類基元陣列架構(gòu)可以通過編程的方式改變芯片連接和芯片功能。 至于系統(tǒng)集成，魏少軍解釋說，2.5D封裝是若干個芯片并排排列在中介層上，通過中介層上的硅穿孔、再分布層、微凸點等，實現(xiàn)芯片與芯片，芯片與封裝基板間更高密度的互聯(lián)；而3D封裝是將各芯片直接堆疊，可以把不同工藝設(shè)計的芯片集成在一起。 魏少軍表示，利用架構(gòu)創(chuàng)新和系統(tǒng)集成創(chuàng)新兩種新路徑研發(fā)的超高性能近存計算芯片，即便使用成熟制造工藝，仍可實現(xiàn)優(yōu)于主流先進工藝CPU/GPU 1-2個數(shù)量級的能量效率，目前已經(jīng)完成相應(yīng)技術(shù)驗證。 |
