2020半導(dǎo)體行業(yè)8大關(guān)鍵詞看看有你知道的嗎

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，無論是以硅為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，還是光刻機(jī)之類的半導(dǎo)體設(shè)備，還是存儲芯片的容量大小，幾乎都面臨急需攻克的難題與瓶頸。

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

一、國產(chǎn)替代

在中美關(guān)系緊張的環(huán)境下，今年中國半導(dǎo)體市場異常火熱。數(shù)據(jù)顯示，截止2020年12月，我國今年新增超過6萬家芯片相關(guān)企業(yè)，較去年同比增長22.39%。目前全國約有24.4萬家芯片相關(guān)企業(yè)，超2萬家芯片相關(guān)企業(yè)擁有專利。

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。

在解決人才短缺問題上，也有一些新動(dòng)作：將集成電路學(xué)科設(shè)置為一級學(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)，無一不是為國產(chǎn)替代做預(yù)備。

也有行業(yè)專家參與到“國產(chǎn)替代”的討論，清華大學(xué)微電子研究所所長魏少軍認(rèn)為，芯片全面國產(chǎn)替代指日可待是口號型的發(fā)展，會(huì)讓政府遭遇很大的壓力。華潤微電子代工事業(yè)群總經(jīng)理蘇巍指出，“當(dāng)下國產(chǎn)芯片自給自足率不足三成，中國整個(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，與國際一流技術(shù)水平差距在縮小。”

二、黃氏定律

在12月份的英偉達(dá)2020GTCChina大會(huì)上，英偉達(dá)首席科學(xué)家兼研究院副總裁BillDally在演講中稱，假如我們真想提高計(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)見的未來都將一直適用。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AI性能的提升做出的猜測，GPU將推動(dòng)AI性能實(shí)現(xiàn)逐年翻倍。大會(huì)上，BillDally用三個(gè)項(xiàng)目說明黃氏定律實(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·摩爾提出了聞名的摩爾定律，從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度成功猜測幾十年來集成電路的發(fā)展趨勢，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，很初其研究與開發(fā)主要用于滿足軍事和國防需求。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禁帶半導(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，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，各個(gè)代工的8英寸晶圓廠產(chǎn)能爆滿，缺貨現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。臺積電黃崇仁曾在11月概括晶圓產(chǎn)能緊張現(xiàn)狀，稱目前晶圓產(chǎn)能已緊張到不可思議，客戶對產(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市場都會(huì)缺貨到無法想象的地步。

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、電源治理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，市場價(jià)格紛紛上漲。

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

五、云上EDA

假如說2021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是指在通過云的方式設(shè)計(jì)芯片，相比通過傳統(tǒng)的EDA工具設(shè)計(jì)芯片，EDA云平臺優(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)同臺積電共同部署云上設(shè)計(jì)和芯片制造平臺，幫助臺積電成為首家實(shí)現(xiàn)云設(shè)計(jì)代工廠；亞馬遜AWS收購以色列芯片制造商AnnapurnaLabs之后，其Graviton和Inferentia等芯片，從RTL到GDSII全都實(shí)現(xiàn)云上開發(fā)。國內(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，來源阿里云研究中心&新思科技

對于云上EDA的未來，新思科技中國副總經(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，而是與用戶應(yīng)用場景緊密結(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)市場上，也迎來在5nm戰(zhàn)場上的新一波5G芯片之爭。自2021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基帶升級到集成式SoC。

蘋果首發(fā)了采用臺積電5nm工藝制程的A14Bionic，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，成為世界上前期采用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Exyons1080，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年很后一款5nm集成式5GSoC，代號從875變888表達(dá)對中國5G市場重要性的認(rèn)可。驍龍888同樣采用三星5nm工藝制程，集成全球首款5nm5G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芯片的競爭尤為激烈，麒麟9000作為國產(chǎn)芯片的代表能夠與國際水平一較高下，不過可惜的是，受中美關(guān)系影響的華為，將無法參與下一場競爭。

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，設(shè)計(jì)自由度高，開發(fā)時(shí)間更短，也是各個(gè)芯片廠商爭相角逐的先進(jìn)封裝技術(shù)，在2020年競爭進(jìn)一步升級。

臺積電自2021年首度對外公布其系統(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，搶占蘋果訂單。今年又針對先進(jìn)封裝打造晶圓級系統(tǒng)整合技術(shù)平臺（WLSI），升級導(dǎo)線互連間距密度和系統(tǒng)尺寸，推出晶圓級封裝技術(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3DIC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)（Hybridbonding），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。

三星在今年對外公布了全新的芯片封裝技術(shù)X-Cube3D已經(jīng)可以投入使用，答應(yīng)多枚芯片堆疊封裝，三星稱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算法對算力需求增長的時(shí)代，馮諾依曼架構(gòu)帶來的“內(nèi)存墻”問題愈發(fā)明顯，即其存儲與計(jì)算在物理上的分離，使得計(jì)算過程中需要不斷地通過總線交換數(shù)據(jù)，從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)到CPU，計(jì)算后再寫回存儲。由于存儲速度遠(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，很終導(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、未來芯片技術(shù)精尖創(chuàng)新中心錢鶴、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-GAIR2020）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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