1納米會是摩爾定律的終點嗎？中國芯片的機(jī)會在哪里？

在不久前召開的IC CHINA 2020（中國國際半導(dǎo)體博覽會）上，中國工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長吳漢明預(yù)測，“隨著工藝節(jié)點演進(jìn)，摩爾定律越來越難以持續(xù)，預(yù)計將走到2025年。”

所謂摩爾定律，即集成電路芯片上的電路數(shù)目，每隔18個月就翻一番。隨著硅片上線路密度的增加，技術(shù)復(fù)雜性和成本越來越高，半導(dǎo)體工藝也走到了極限。

1納米會是摩爾定律的終點嗎？現(xiàn)有制程工藝下，也許會。除非新工藝和新材料出現(xiàn)突破。臺積電曾樂觀預(yù)測，在此前提下，或許到2050年，制程工藝可以達(dá)到0.1納米。最新消息是，臺積電將在2022年量產(chǎn)3納米工藝芯片，2024年推行2納米工藝。

但無論如何，那將是一個少數(shù)人的游戲，而基于眾所周知的原因，中國在這個游戲中暫時落后。“后摩爾時代”，中國芯片的機(jī)會在哪里？

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不可承受的“AI之重”

“產(chǎn)業(yè)發(fā)展的驅(qū)動是算力，根據(jù)OpenAI預(yù)估，AI算力約每3.4個月翻倍，但算力需求增長速率是10倍/年增長，就算摩爾定律不放緩，都難以滿足日益增速的算力需求。”IC CHINA2020上，上海燧原科技有限公司創(chuàng)始人兼CEO趙立東如是說。

AI算力雖然從2012年開始大約每3.4個月翻一倍，但依然低于算力需求的增速，圖源：OpenAI

摩爾定律認(rèn)為，一塊芯片中可容納的晶體管數(shù)量每隔18至24個月就會增加一倍，性能也將提升一倍。自1965年摩爾提出此觀點后，芯片性能的提升基本以每5年增長10倍，每10年增長100倍的速度前進(jìn)。

但是，制程工藝從22nm進(jìn)入“后摩爾時代”，摩爾定律開始放緩，英偉達(dá)創(chuàng)始人黃仁勛甚至在CES2019上表示，摩爾定律每年只能增長幾個百分點，芯片性能的增速已降至每10年可能只有2倍。

不同工藝節(jié)點時的芯片設(shè)計成本水漲船高。據(jù)調(diào)查機(jī)構(gòu)IBS估算，16納米制程開發(fā)費(fèi)用達(dá)1億美元，10納米為 1.74億美元，目前主流7納米要沖上3億美元，5納米要價約4.36億美元，3納米更飆到6.5億美元。

芯片不同工藝節(jié)點開發(fā)成本，圖源：IBS

美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會總裁兼首席執(zhí)行官John Neuffer透露，美國半導(dǎo)體公司每年大約將五分之一的收入用于應(yīng)對芯片設(shè)計成本上升的挑戰(zhàn)。

制程工藝同樣面臨挑戰(zhàn)，吳漢明表示，我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展艱難，尤其是芯片制造工藝存在三大挑戰(zhàn)：光刻是基礎(chǔ)挑戰(zhàn)、新材料&工藝是核心挑戰(zhàn)、提升良率是終級挑戰(zhàn)。

02

20納米以上還有很大空間

算力和摩爾定律的矛盾顯而易見，但現(xiàn)狀是，先進(jìn)制程工藝基本被臺積電、三星壟斷，加上今年以來復(fù)雜的國際關(guān)系，僅僅依靠工藝升級已經(jīng)不能滿足算力的需求。

但對中國企業(yè)而言，未嘗不是件好事。吳漢明預(yù)測，“新材料、新工藝將是未來成套工藝研發(fā)的主旋律，包括光刻技術(shù)、薄膜技術(shù)在內(nèi)的很多關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行完整的工藝集成后，形成可以商用的成套工藝。

2019年全球 82%的晶圓代工產(chǎn)能都是 20nm以上節(jié)點，20nm以下節(jié)點先進(jìn)產(chǎn)能僅占12%，這為企業(yè)留下了巨大的創(chuàng)新空間。”

事實上，晶體管密度更高的芯片，大多被用于手機(jī)制造，而隨著AI時代的到來，當(dāng)萬事萬物都需要增加一個“大腦”時，大多數(shù)智能化產(chǎn)品不會像手機(jī)一樣，對單位面積內(nèi)的計算速度有不可替代的需求。

換句話說，很多AI芯片，可以在并不需要頂尖制程工藝的前提下，通過成套工藝的創(chuàng)新，達(dá)到和先進(jìn)制程工藝同樣的計算能力。

如果說臺積電和荷蘭ASML公司“鎖死”了中國通過制程工藝改良制造高端芯片的方向，那么中國芯片必須“另辟蹊徑”。

“全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)過三次轉(zhuǎn)移，而每次轉(zhuǎn)移都是因為需求發(fā)生變化，從20世紀(jì)90年代開始，隨著PC和手機(jī)相繼普及，產(chǎn)業(yè)鏈從韓國、中國臺灣逐漸轉(zhuǎn)移至中國大陸，等到了智能物聯(lián)網(wǎng)時代，輕設(shè)計廠商將成為主流。”芯原股份董事長戴偉民表示。

數(shù)據(jù)顯示，中國已經(jīng)成為全球規(guī)模最大、增速最快的集成電路市場。John Neuffer透露，2019年，中國市場貢獻(xiàn)了美國半導(dǎo)體公司36%的收入，中國的PC、手機(jī)、電視、可穿戴設(shè)備的出口額在全球份額中均是第一位。

2016年統(tǒng)計的美國半導(dǎo)體行業(yè)的公司對中國市場的依賴性，圖源：Quartz

國內(nèi)邊緣計算芯片企業(yè)地平線創(chuàng)始人余凱認(rèn)為，未來自動駕駛對于車載智能算力的需求是一種機(jī)遇，新的封裝技術(shù)、軟件硬件的高度協(xié)同、面向自動駕駛?cè)斯ぶ悄芩龅膭?chuàng)新型架構(gòu)設(shè)計以及編譯器操作系統(tǒng)，會使人工智能算力以指數(shù)級的“摩爾定律”向前發(fā)展，但這要求人工智能企業(yè)要有全新的思維設(shè)計芯片。

03

突破：Chiplet的嘗試

創(chuàng)新之路在哪里？新結(jié)構(gòu)、新材料、新集成設(shè)計創(chuàng)新，是業(yè)內(nèi)基本公認(rèn)的三條路，但設(shè)備和材料方面，日本崛起較早，如今是市場領(lǐng)頭羊，中國最有可能在設(shè)計領(lǐng)域有所突破。

戴偉民認(rèn)為Chiplet（芯粒）是一條可行之路。所謂Chiplet，是由Marvell創(chuàng)始人周秀文提出的MoChi（Modular Chip，模塊化芯片）架構(gòu)，顧名思義，就是將不同工藝節(jié)點的die（裸片）通過異構(gòu)的方式混裝，這樣可以大大降低企業(yè)在先進(jìn)工藝制程方面的成本。

比如蘋果A13在16納米工藝下成本為4.98美元/10億晶體管，但在7納米工藝下成本只需2.65美元/10億晶體管。

但正如前文所言，高制程的芯片設(shè)計開發(fā)成本驚人，一般企業(yè)無法承受。

戴偉民認(rèn)為，Chiplet新形態(tài)是未來芯片重要趨勢之一。比如一塊芯片可以做到CPU用7nm工藝，I/0則用14nm工藝，這樣與完全由7nm打造的芯片比成本大約降低50%。

但Chiplet的問題在于，不同芯片間互連的功耗和性能如果沒有標(biāo)準(zhǔn)，可能效果適得其反。

目前芯原提出IP即Chiplet，可以將ISP（圖像處理）、NPU（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器）、VPU（視頻處理器）、GPU（圖形處理器）等芯片形成基于不同工藝節(jié)點的Chiplet，并做到“即插即用”。

如此，對中國企業(yè)而言，Chiplet將大規(guī)模降低芯片設(shè)計的門檻；半導(dǎo)體IP授權(quán)商能升級為Chiplet供應(yīng)商，提升IP的價值且有效降低芯片客戶的設(shè)計成本。

更重要的是，Chiplet可以更好利用中國的封裝資源，盡管在先進(jìn)制程上被“卡脖子”，但中國的封裝工藝基本接近世界頂級水平。

“領(lǐng)頭羊”長電科技如今正在持續(xù)推進(jìn)Chiplet的量產(chǎn)和2.5D/3D的封測技術(shù)開發(fā)，預(yù)計到2021年，可以實現(xiàn)2.5D封裝工藝，從而推動Chiplet更快落地。

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未來：減少試錯成本

2019年，我國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模實現(xiàn)7000多億元，同比增長15.8%。工業(yè)和信息化部電子信息司副司長楊旭東在IC China上表示，中國在全球市場份額中占比接近50%。

盡管近年來美國開始實行“脫鉤”政策，但中國芯片產(chǎn)業(yè)正在迅速崛起。數(shù)據(jù)顯示，今天中國已經(jīng)擁有世界17%的芯片產(chǎn)量。John Neuffer預(yù)計，到20世紀(jì)末，這一比例將增加到28%，尤其是在無晶圓廠和OSAT（封測代工廠）領(lǐng)域，中國具有明顯優(yōu)勢。

但中國的劣勢也很明顯。2020年，美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會最新調(diào)研顯示，中美摩擦將改變?nèi)騃C產(chǎn)業(yè)格局，目前中國本土IC自給率只有14%，中國本土IC設(shè)計業(yè)的全球市占率為15%，整體IC產(chǎn)業(yè)全球市占率只有5%。相比之下，美國的各項占比均在50%以上。

據(jù)上海集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金管理有限公司總經(jīng)理陳剛介紹，從材料、裝備、制造/封測、設(shè)計四個環(huán)節(jié)來看，科創(chuàng)板對于光掩模、12寸拋光片等材料領(lǐng)域的企業(yè)尋求二級市場資本有了一定覆蓋，但在先進(jìn)工藝所需的高端材料和光刻機(jī)設(shè)備、拋光機(jī)方面，仍是空白，設(shè)計領(lǐng)域的EDA、CPU、FPGA、DRAM、NAND等領(lǐng)域也都存在空白。

在最為核心的半導(dǎo)體設(shè)備市場，中國與全球差距甚遠(yuǎn)。2019年，中國的半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化率為18.8%，但盛美半導(dǎo)體設(shè)備股份有限公司董事長王暉坦承，其中核心設(shè)備占比很小。

從各國研發(fā)經(jīng)費(fèi)分配來看，我國與世界先進(jìn)國家的差距仍然很大，尤其在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，大部分研發(fā)停留在試驗階段，難以產(chǎn)生革命性的創(chuàng)新。

吳漢明指出，中國的集成電路研發(fā)經(jīng)費(fèi)的總額不比英美法日少，但比例嚴(yán)重失衡，只有5%經(jīng)費(fèi)投入基礎(chǔ)研發(fā)，尤其是一些芯片制造企業(yè)，試錯成本占了整個研發(fā)經(jīng)費(fèi)的84%，“我們必須要有一個基礎(chǔ)引導(dǎo)，使這種所謂試錯式研發(fā)變成實驗式研發(fā)。”

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