5納米晶元時代,中國還有機會嗎?

2017/08/14

|編者按

近日,IBM宣布其與三星、GlobalFoundries組成的聯盟成功開發出業界第一個全新硅納米片(nanosheet)晶體管,將晶元製造帶入了5納米時代!的晶元製造是否已經被越拉越遠?晶元製造業是否還有機會?是值得我們思考的問題。

IBM發布5納米晶元新技術

晶元猶如心臟,是很多電子設備最關鍵的零部件。

近日,IBM宣布其與三星、GlobalFoundries組成的聯盟成功開發出業界第一個全新硅納米片(nanosheet)晶體管。該技術採用了與7納米工藝相同的EUV極紫外光刻技術,但拋棄了標準的FinFET架構,全新的四層堆疊納米材料的使用可幫助製造商研發出業內第一款採用5納米技術的晶元。

與之前很多研究提出的採用新材料來代替現有材料的方法不同,IBM提出的5納米工藝解決方案,從技術上講這是一種真正可行的,能夠在幾年內實現大規模量產的新工藝。預計這個技術能夠實現大約40%的性能提升,或者是在保持相同性能的基礎上實現75%的功率降低。隨著5納米工藝的問世,高端晶元的晶體管數量將因此從幾十億個增加到300億個以上。對於那些即將出現的技術,例如自動駕駛汽車、人工智慧、5G等等,5納米工藝的出現非常及時並有助於推動這些技術的發展。

集成電路製造產業的變局

幾十年來,全球的半導體產業一直痴迷於晶體管的小型化。上一次提出新的方法是在2009年,也就是我們所熟知的FinFET。2012年,FinFET工藝的第一次量產,在之後的數年之內推動了22納米、14納米和10納米工藝的出現。

技術的進步直接改變著各大集成電路製造企業的競爭格局。半導體晶元龍頭英特爾技術上還在堅守14納米工藝,英特爾在其上半年召開的「技術與製造日」表示,其14納米技術具有高功能密度,要優於競爭對手,製造成本要比對手低30%,且將採取措施確保在性能和成本方面遠遠領先於三星等。公開資料顯示,半導體晶元龍頭英特爾佔據PC市場處理器約八成的市場份額,在伺服器晶元市場佔據超過九成的市場份額,其在PC和伺服器晶元市場依然擁有不可撼動的市場地位。

而作為後起之秀的三星,在快閃記憶體市場、手機晶元等戰場上不斷尋求突破。三星研發的第一代10納米晶元已應用於其今年發布的GalaxyS8中,高通驍龍835晶元也由三星現有的10納米工廠製造。近幾年PC市場的發展出現了停滯跡象,這種停滯給英特爾帶來了打擊,與此同時受到市場不斷增加的對手機晶元和快閃記憶體需求的提振,三星在2017年一季度的晶元銷量首次超過英特爾。

總體來說,英特爾依然堅持14納米工藝,在傳統PC和伺服器晶元領域依然強勢,但隨著三星、IBM等在14納米以下工藝的進展,英特爾在手機晶元市場已經逐漸失勢。隨著IBM與三星、GlobalFoundries在5納米工藝方面所取得的進展,英特爾如果不能在技術上有所突破,移動晶元領域的劣勢將更加明顯。

集成電路製造行業是否還有機會

在製造已經走向全球的今天,小小的晶元卻是製造缺失的一環。據工信部發布的數據顯示,2016年集成電路進口3425.5億塊,同比增長9.1%,進口額高達2271億美元,連續4年超過2000億美元,而出口金額僅為613.8億美元,貿易逆差達1657億美元。集成電路市場需求接近全球1/3,集成電路產值不足全球7%。這種情況的形成與在集成電路製造領域的落後現狀直接相關。

中芯國際是內地規模最大、技術最先進的集成電路晶圓代工企業。中芯國際無疑代表了半導體晶元製造技術的最高水平,但是其最先進工藝僅為28納米,面對英特爾成熟的14納米工藝和三星、GlobalFoundries已經投產的10納米工藝存在明顯的技術差距,即使與台積電的16納米工藝比較也有不小的差距。在5納米新技術發布的今天,技術水平差距依然在拉大,的集成電路製造水平亟待提高。

集成電路製造企業與國外乃至台灣企業的差距確實存在,但也有一些有利因素。其一,政府開始關注並積極支持集成電路製造產業的發展,已發布了多項相關政策和指引,《製造2025》政策文件明確了目標將集成電路自給自足率在2020年提高到40%,並在2025年提升至70%。這一目標的實現直接需要半導體製造企業的技術水平的提升。

其二,技術發展速度放緩,為企業提供了追趕時間。無疑IBM與三星、GlobalFoundries聯盟所發布的全新硅納米片晶體管新技術為研發5納米晶元奠定了基礎,但隨著晶體管尺寸的縮小,源極和柵極間的溝道也在不斷縮短,當溝道縮短到一定程度的時候,量子隧穿效應就會變得極為容易,換言之,就算是沒有加電壓,源極和漏極都可以認為是互通的,那麼晶體管就失去了本身開關的作用,因此也沒法實現邏輯電路。從現在來看,10納米工藝已經實現,5納米也是能夠實現,而5納米以下則接近現有半導體工藝的物理極限,如不能發展出新的材料體系,技術發展必然放緩。技術發展的放緩將給企業提供一定的追趕時間。

其三,世界集成電路產業轉移趨勢為企業提供了機會。1970年代末第一次轉移產業轉移,從美國轉移到了日本,造就了富士通、日立、東芝、NEC等世界頂級的集成電路製造商;第二次在1980年代末,韓國與台灣成為這一次轉移過程中的受益者,崛起了三星和台積電這樣的製造業巨頭;目前,憑藉巨大的市場需求,較低的人工成本,有可能接力韓國、台灣,成為未來5年產業轉移的重點區域。

雖然集成電路製造業整體落後,但在產業結構上有優勢,政府重視相關產業的扶持,新技術發展將放緩,的集成電路製造產業依然有機會改變不利與落後的局面。

作者簡介

張永旭,博士,主要從事納米材料和光電功能材料研究,現任職於上海科學院下屬上海市納米科技與產業發展促進中心。

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