魏少军：把脉中国半导体产业如何上新台阶

“工艺是基础，设计是龙头。工艺研发模式、产品设计思路都将发生根本性变化，设计必须与工艺紧密结合。” 日前在上海举行的“第六届中国IC设计公司成就奖”颁奖典礼上，中国半导体行业协会IC设计分会理事长魏少军教授在题为“对中国半导体行业再上台阶的思考”的演讲中指出，他根据半导体产业链各发展态势的预测和对技术市场的思考做出了上述判断。
——“工艺技术正在走向后摩尔时代，主流器件结构将发生根本变化，平面体硅CMOS工艺走向尽头，FinFET和FDSOI等新器件将引发一系列变化，包括产品的形态及产业环境等。工艺的高度复杂和不可预见因素及代工厂支持能力的下降，将重塑代工厂和设计企业之间的关系。”
魏少军指出了半导体行业正在发生的几个发展趋势，首先是器件结构发生根本变化。目前研发和关注度最为广泛的FinFET技术最早由UC Berkeley的华人科学家胡正明教授发明。本世纪初，在担任台积电CTO期间曾向公司提出发展FinFET的设想，但没有得到重视。随后英特尔公司接受了这一建议并投入巨资研发。“2011年英特尔宣布推出22nm的FinFET技术，并预测到2012年Q4其出货中有25%的产品采用FinFET，但实际延迟已经超过一年，FinFET技术的复杂度超过了之前的预想。”魏少军表示。
魏少军指出了半导体行业正在发生的几个发展趋势，首先是器件结构发生根本变化。目前研发和关注度最为广泛的FinFET技术最早由UC Berkeley的华人科学家胡正明教授发明。本世纪初，在担任台积电CTO期间曾向公司提出发展FinFET的设想，但没有得到重视。随后英特尔公司接受了这一建议并投入巨资研发。“2011年英特尔宣布推出22nm的FinFET技术，并预测到2012年Q4其出货中有25%的产品采用FinFET，但实际延迟已经超过一年，FinFET技术的复杂度超过了之前的预想。”魏少军表示。
其次，成本越来越高。“从65nm、45nm一直发展到22nm、16nm，芯片研发成本越来越高，22nm工艺节点是一条达到盈亏平衡的产线预计投资需要高达80~100亿美元，16nm工艺节点时可能达到120~150亿美元。”魏少军预测说，“电子工程专辑的早前的文章中也已经指出：将来只有少数高端芯片设计公司可以负担昂贵的研发费用，而更少的代工厂具备制造新一代的产品的能力。所以现在只有很少的公司下定决心在22nm以下工艺节点投入，目前只有英特尔、TSMC、三星、IBM等。” 高额投资将导致只有少数高端芯片设计公司可以负担昂贵的研发费用，而更少的公司能够拥有最先进的制造工艺。趋势三，先进工艺产能越来越紧张。魏少军指出，2008年以来，一批传统的IDM公司已经或将停止建设新的生产线，逐渐转型为IC设计企业，预计需要外协的产能价值约为300亿美元，产能需求将十分旺盛。三星、台积电、GLOBALFOUNDRIES等企业每年投巨资扩产正是预见到未来5~10年产能紧张的前景。他认为，事实上从2012年下半年以来，先进工艺的产能已经出现供不应求的现象。我国设计企业因此而出现增长放缓的现象。“可能到了12nm工艺节点以后，芯片设计企业想找个制造点都找不到，这是很可怕的事情。”趋势四，通用产品逐渐成为主流。在22nm工艺节点上，每平方毫米的平均逻辑门数达到156.6万个，在20×20mm2面积上可以集成6.26亿个逻辑门，或25亿只晶体管。魏少军认为高额的制造和研发成本，将不再适合“多品种、小批量”的ASIC，而且没有足够的销量就无法摊销高额的NRE成本。所以他预测未来通用的产品逐渐成为主流，而传统的ASIC将慢慢退出历史舞台，除了少数几种数量巨大的ASSP，如移动通信终端芯片，或数字电视芯片等，其他芯片无法使用先进工艺，将慢慢消亡。“‘牧村浪潮’和国内的‘许氏循环’都在谈专用-通用器件循环发展，下一轮将是通用器件主导的发展，通用、平台化成为大趋势。”
趋势五，系统级封装及多元件封装。封装今后将成为芯片设计的一个重要内容。
趋势六：新型产业模式。加工成本的攀升将迫使IC设计企业在更换代工厂时越来越谨慎。因此，设计公司与代工厂的捆绑会越来越紧密。魏少军指出这些紧密关系表现为以下几点：高额的研发成本将要求EDA厂商更多地为设计公司提供定制服务，一对一的“贴身服务”将成为设计服务公司的策略；由于IP核的服务对象更多地集中到大企业和量大面广的产品，IP核供应商与设计公司的关系更为紧密；系统公司越是依赖于设计公司的芯片产品，就越希望对其加强控制；基于特定合作伙伴，业务紧密捆绑，资本相互渗透的虚拟IDM逐渐浮出水平。
“随着半导体工艺特征尺寸越来越小，IC设计对于工艺的依赖程度越来越高，同时设计软件的作用也越来越重要。芯片设计人员对于IC设计的知识不能局限在芯片层面，还应包括软件、系统甚至应用。”他强调说。
——“必须从系统整机的角度重新审视芯片产品的发展策略。处理器无疑处在核心的位置，接口电路必须跟上输入/输出设备的创新，嵌入式软件的作用不可忽视，3D集成将成为产品设计的重要途径。”
魏少军认为，从系统架构看，系统架构越来越疏松，更多输入输出接口整合到处理器中，还有工艺、封装的因素，以及软件、服务和商业模式的发展，这样的架构影响会越来越大。再来单独看系统架构每一部分的发展。首先是处理器，魏少军预测未来核心数可能达到128~256颗，2020年~2025年间工艺可能走到7~5nm节点，位宽从现在的32位走向64位。“现在还出现了一个新名词：supercomputer on chip，单芯片超算，运算速度可达到每秒100万亿次浮点运算。未来这样的芯片技术成本降低将可走入家庭应用，终端（计算机、手机等）市场总量在20亿只/年。”他说，“此外，新的专用处理器将随着云计算、物联网、大数据等技术的发展而出现，同时形成新的架构如可重构处理器等，个人云个人网也将从概念成为现实，相应的，安全机制成为更大挑战。”
再看接口电路，这一部分没有太大挑战，仍然向着更高、更快、更宽演进。而存储器方面，已经出现很多年的eDRAM很快能够实现应用，“例如英特尔Haswell处理器中，该公司可将128MB的eDRAM做到0.029μm2，17.5Mb/mm2，位单元显著小于SRAM，甚至可以实现3D封装。而浮栅型Flash将逐渐退出市场，工业界的主流是Charge-Trap Memory(CTM)，其他新型存储器如ReRAM预计将于2020年能够实现应用。在这一领域，英特尔将引领处理器和eDRAM的集成，并将进一步巩固其在处理器领域的地位。”
输入设备方面，例如新型图像传感器将向着高分辨率和低照度两个方向发展；智能天线则支持高宽带无线接收、发送；新型触摸屏、触觉识别以及手势识别、人眼跟踪、动作跟踪等进一步改善，各类传感器、健康传感器等将大量集成到终端中去。输出设备方面，各种高分辨率、高动态范围、高亮度、3D显示灯新型显示器；支持高宽带无线传输的投影仪；谷歌眼镜、三星智能手表等等都会对输出设备产生巨大的影响。采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的功率器件将是未来重要的一个发展点。
因此魏少军预测，到2020年将拥有广大市场的潜在产品包括单芯片超算芯片、eDRAM及辅助芯片、5G Modem、新型闪存、智能触屏控制器、4G/5G功放、单芯片基站、个人云、图像识别、嵌入式FPGA和RF芯片等等。这些市场领域前景巨大，就看中国IC厂商是否能够成功抓住机遇。同时魏少军也给出了几个发展的关键因素。
第一，先进制造工艺。魏少军指出，体硅COMS平面晶体管在20nm已经走到尽头，无法获得等比例缩小的性能、成本和功耗优势。而耗尽型器件可以改善器件的电学性能并延续等比例缩小，且与传统CMOS工艺兼容，但产业链和生态环境亟待完善。FinFET则是未来的选择，可以延续等比例缩小，但是知识产权的限制、工艺的复杂度都不是短期内可以克服的问题。
他表示，与CMOS器件相比，FinFET的技术优势在于，在相同的工作电压下，器件延迟下降约30%，意味着性能更高。换句话说，在同样的延迟下，工作电压可以降低20%，意味着更低的功耗。此外还具有附加成本低、低电压工作下速度快、泄露电流小等优势。而FD SOI技术与28nm LP Bulk相比，在同样的主频下，功耗下降30%；相同功耗下，主频可以提升30%。因此他认为FinFET技术和FD SOI相比，前者更适合高性能应用，后者则更适合低功耗、低漏电流应用。
第二，基于先进工艺的设计。“采用更先进的工艺已经不能获得成本优势，单个芯片上可以集成的晶体管数量巨大，导致系统复杂性大幅度提升，研发费用逐渐攀高，成为影响成本的关键因素。此外软件成为集成电路技术的重要组成部分，低功耗成为集成电路发展技术的发展重点，芯片设计必须具备工艺知识和团队。而最重要的是，是否具备基于新器件的设计技术，如果不会就只能前进到28nm。” 魏少军指出
第三，设计与工艺的紧密结合。魏少军表示，“设计企业不能认为基于代工厂给出的设计接口，其设计一定成功并给出满意的成品率。成品率问题必须在设计阶段就给予足够的重视并成为重要的设计准则。可制作性是设计公司必须面对的难题。”而即使设计成功，设计人员也不能指望很快上量。在代工厂一侧，由于IP的成熟度和工艺浮动造成的成品率问题仍然需要比较长的时间解决。因此他强调，“设计团队必须对工艺有深入的了解，并将工艺浮动的影响作为重要的设计参数在设计过程中给予考虑。所以设计企业与代工厂之间的紧密合作必不可少，设计企业必须建立强有力的工艺和产品工程队伍，特别是优秀的可制造型设计和成品率设计专家团队。这需要设计企业每年多支出数千万到上亿元的成本。”
第四，异质器件封装及设计；以及第五，芯片软件供应商。魏少军指出，目前IC设计企业中，软件设计人员数量已经超过芯片设计人员，但是企业对软件的理解并没有随之提升，仍然只是将其作为一种卖芯片的服务。“这是本末倒置的。今后软件的价值远远高于芯片，应该是以卖软件为主，而非芯片。”
——“工艺是基础，设计是龙头。工艺研发模式、产品设计思路都将发生根本性变化，设计必须与工艺紧密结合。同时选对发展技术路线是关键，人才队伍建设是基础。中国半导体产业要上一新台阶，就必须有更大的思路和更有力的举措。”
那么中国半导体产业要想再上一个台阶，究竟该如何做？魏少军为IC设计厂商指出了几条明路。首先是提高制造能力。“制造是基础，其他方面再好都只是个美好愿望。中国目前制造产能仅占市场总量10%多一点，但是市场需求占全球市场的28%。然而先进的工艺制造不是某个厂商单打独斗就能实现的， 必须依赖联合研发。”他表示，“所以接下来建立先进工艺联合研发机制。例如2011年美国成立的Global 450 Consortium（G450）组织。该组织由IBM公司出资36亿美元发起，联手三星、GLOBALFOUNDRIES和台积电，推动22nm-14nm及14nm以下半导体工艺技术研究。同时由英特尔主导，与IBM、三星、GLOBALFOUNDRIES和台积电共同投入3.75亿美元，推动450mm硅片工艺研发及产业化。”
另外一个重要的举措是芯片、软件和整机联动，加强嵌入式软件研发能力。魏少军提出，“瞄准影响国家安全和产业发展的重大战略需求；以重大系统、重大应用为牵引，建立战略产品目录清单，围绕清单产品聚集资源，集中投入，有所不为才能有所为。”他建议的战略产品主要包括，整机方面是移动通信、计算机、互联网、云计算、物联网及其他具有重大带动作用的大系统；主要器件包括CPU（含超级计算机、服务器、桌面计算机和移动终端嵌入式CPU等）、DSP、FPGA、存储器（含DRAM、eDRAM、Flash、SRAM等）各类接口电路；主要软件则有嵌入式操作系统、应用软件等。同时应强化芯片、软件与整机的联动，包括应用牵引、系统整机引导；芯片、软件企业早期介入整机定义；根据整机需求研发芯片、软件；产业链各环节联动。推动01、02和03三个科技重大专项相互渗透、相互支撑。
最后就是人才队伍建设。魏少军表示，IC产业是智力密集型产业，人才是产业发展的基础。为此，应坚持以人为本的原则，探索新形势下的人才队伍建设和人才引起机制建立行之有效的激励机制，保证产业发展所需的智力资源。“一方面，要充分利用“千人计划”等国家引智工程，按照引进海外高层次人才的有关要求，吸引国际优秀人才到我国工作，特别要注意成建制团队的引起，挖掘国际智力资源为我所用。另一方面，加强本土集成电路专业人才的培养，改革集成电路培养课程，注重基础能力的培养，提升工程硕士的培养质量，加大工程博士的培养数量。”
 

来源：电子工程专辑