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我国集成电路产业现状分析及发展趋势

发表时间：2021/8/9 来源：《探索科学》2021年7月13期作者：聂显铸

[导读] 集成电路，作为几乎所有产业的必须物品，其对于国家及社会的发展重要性及战略意义自然不言而喻。而对于各国的这种尖端产品，我国作为西方封锁的对象自然是举步维艰。但在我国02专项计划等几项重点计划的建立之下，我国还是获得了不少成绩。而我国对量子计算机和碳基芯片的研究自然也让我国在为未来着手一步大棋。

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摘要：集成电路，作为几乎所有产业的必须物品，其对于国家及社会的发展重要性及战略意义自然不言而喻。而对于各国的这种尖端产品，我国作为西方封锁的对象自然是举步维艰。但在我国02专项计划等几项重点计划的建立之下，我国还是获得了不少成绩。而我国对量子计算机和碳基芯片的研究自然也让我国在为未来着手一步大棋。
关键词：集成电路；现状；发展趋势
        1引言
        全球疫情使得硅材料价格暴涨，再加上全球虚拟经济的扩张带来的是全球集成电路的短缺—导致CPU，显卡，甚至是声卡都一片难求。随着摩尔定律就要走到尽头，硅材料的极限制程工艺的进步停止也即将到来。在全球都在朝着这个极限而冲击3nm甚至是1nm制程工艺以进一步提升能耗比之时，中国因为起步晚而仍然没有掌握10nm制程工艺的光刻机核心技术，而是朝着碳基芯片及量子计算机这一方向迈步前进。
        2我国集成电路概述
        2.1集成电路概念与发展问题
        集成芯片定义，集成电路是一种半导体材料的小芯片，它把整个电路安装在自己的身上。与由独立电路元件构成的标准电路相比，它非常小。最常用的集成电路是单片集成电路。集成电路被定义为一种微芯片，在其上制造成百上千的电子元件，如电阻器、电容器和晶体管。集成电路起振荡器、放大器、微处理器、定时器或计算机存储器的作用。集成电路是由半导体、铜和其他互连材料组成的一个复杂的层，形成电阻器、晶体管和其他元件。这些晶圆的切割和成形组合称为模具[1]。
        构成集成电路的半导体晶圆是易碎的，层与层之间的连接非常复杂。由于集成电路芯片太小，无法进行焊接和连接，因此需要对集成电路进行封装。集成电路封装把精致小巧的芯片变成了我们熟悉的黑色芯片。
        所有的集成电路都是极化的，集成电路中的每个引脚在位置和功能上都是独一无二的。集成芯片使用凹口或圆点来表示第一个引脚，一旦识别出第一个管脚，其余管脚围绕芯片逆时针方向依次增加。以前制作的电路体积很大，由电阻、电容、电感、晶体管、二极管等电路元件组成，这些元件用铜线连接。这个因素限制了电路在大型机器上的使用。用这些大电路制造小型紧凑的电器是不可能的。此外，它们并非完全防震可靠。正如人们所说，需求是一切发明之母。因此，有必要开发更小尺寸、更大功率和更安全的电路，以便将它们整合到设备中。三位美国科学家发明了晶体管，在很大程度上简化了事情，但集成电路的发展改变了电子技术的面貌。
        2.2 集成电路发展问题
        集成电路作为当今人类社会身边随处可见的高科技产品，其重要性自然不言而喻。然而，由于我国起步相较其他国家晚，我国在集成电路上还是有不少问题。
        创新能力不足：集成电路是专利密集型高精技术产业，而与此有关的专利是其重中之重，是集成电路产业创新能力的体现，也是其核心竞争力的重要来源之一。虽然我国在专利保护这方面做的很好，比如去年中科院控告英特尔酷睿侵害了它的半导体元器件构造和生产制造方式以及半导体材料的生产制造方式一案，我国司法机关就很好的调解了此案。但我国在集成电路方面发明专利数量相较国外实在少，国内集成电路企业在芯片设计、制造工艺、制作设备、封装工艺等专利相较国外大型企业依然有太大差距。这也一定程度上反映了我国在创新能力上的不足，同时也让我国在集成电路方面落后于世界先进水平，从而难以推进我国在21世纪的其他工业的以数字化、信息化、智能化为核心的现代化重大技术创新。
        资本投入力度不足：集成电路是资本投入大的高新技术产业。特别是随其制造工艺的进步，研发经费也将不可避免的上升。但我国企业在这集成电路方面的投入却远远没有世界大型先进企业那么多。例如2020年，台积电的资本支出为172亿美元，而三星电子仅在2020年上半年就投入620亿人民币以用来研发，而2016年我国集成电路固定资产投资额为880亿元，仅世界几家超大型的集成电路企业的研发投入之和就同我国全国的集成电路投入相当[2]。在研发程度和研发投入都弱于世界先进水平的情况下，我国若不改变现状，要赶上世界先进水平是十分困难的。
        2我国集成电路发展历程及分析
        2.1过去
        我国集成电路产业诞生于20世纪60年代，最早是为了打破西方封锁，以创造军事产业为目标，开发逻辑电路为产品，在我国初步建立集成电路的工业基础及其主要条件[3]。电子产业也与纺织业等产业进行融合，以创造自动化生产。中期在和美国建交后从美国引进老旧二手设备，以进一步改善我国集成电路发展条件。并以市场消费主要品种为重点，解决了我国电视行业及无线电产业的集成电路的国产化，但也使我国如今依然在大规模的集成电路生产线（8英寸及以下）中的制造装备大多依赖进口二手翻新设备。而21世纪初期左右，我国开展的908，909工程所诞生的0.9微米制程6英寸流水线及8英寸0.5微米生产线，以及在2000年11月，能月投8英寸硅圆片20000片，虽达到国际上规模经济水平，但也落后国际领先水平11年。不可否认的是，当时我国以CAD软件为突破口，为信息产业服务，集成电路行业取得了新的发展。
        2.2 现在
        （1）我国集成电路市场
        我国目前已经成为全球最大的电子信息产品制造和消费国，占据着全球最大的集成电路市场，其份额占全球近50%。仅2020年1~9月，我国累计进口3871.8亿片，与去年同期相比增加23%，总金额达17673.2亿元，同比增加16.6%，是我国进口最大的商品之一，我国集成电路产业也在世界中增速位于前列。数据显示，自2012年以来，我国集成电路产业以年均20%以上的速度正快速增长。

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而得益于移动智能设备对soc，基带等集成电路的依赖性[4]，其应用市场必将在5G时代中快速发展。新能源汽车的电子化，未来也使其成为继PC和移动通信之外第三大集成电路市场。我国作为全球最大电子商品生产国，对于芯片的需求十分旺盛，国内半导体市场接近全球的三分之一，但国内半导体自给率水平非常低，特别是核心集成电路极度缺乏，在我国大厂使用芯片组中国产芯片占有率都是凤毛麟角。
        （2）我国集成电路技术水平
        在全球金融危机等因素的影响下，全球集成电路产业自2011年就进入低迷期。但是，在国内集成电路市场总量持续走高，我国“02专项”的成立以及一系列的政策带动下，集成电路设计、晶圆制造和封装测试产业链都已初具规模。目前中芯国际第一代14纳米FinFET技术取得了突破性进展，并早于2019年第四季度进入量产，是目前中国大陆自主研发集成电路的最先进水平。而且中芯国际也已宣布在2021年底发布其第一代的7nm制程工艺技术，也已达到世界主流超大型公司商用水准。
        基于中芯国际14纳米FinFET技术的芯片（类似麒麟710A）早在2019年就跟随华为部分手机同台积电的12纳米制程芯片同期投放。市场反响不错。国内龙头企业也已成功构建起完整的代工平台，可以提供14纳米制程工艺设计和制造服务，包括逻辑电路、混合信号/CMOS射频电路、高压电路、系统级芯片、闪存内存、EEPROM、影像传感器，硅上液晶微显示技术的全方位的晶圆代工解决方案。其制造过程与技术也已符合最高的业界标准，与一般的晶圆代工业界标准都兼容。晶圆良率，产能利用率也已达到14纳米技术国际领先水平。而在集成电路高端专用设备例如介质刻蚀机，封装光刻机等9种高端制造设备在16纳米制程工艺上研发目前仍处于起步阶段，14纳米制程工艺生产线所用设备90%以上都从国外进口。尤其是在世界先进企业早已能完成5纳米制程的情况下，我国目前总体上还是落后于世界集成电路领先水平。
        3我国集成电路的发展方向及建议
        3.1政策
        集成电路行业是一个更新周期十分短暂的行业，创新与突破在这个行业是并存的。我国虽然在几年来加大了对集成电路行业的投入，但与同期先进技术仍然相差甚远。但根据我国目前的集成电路市场之广阔，其必将是集成电路等高新技术产业快速赶超的机会。目前已经有好几家中国公司在不同的领域被美国封锁从而导致新机器无法上市。所以我国政府要为集成电路的市场需求而制定相关激励性政策。以此来更好迎合市场的需求。从芯片设计、知识产权、人才培养方面加快建设有利于集成电路生态系统。在十四五乃至十五五中都应该把集成电路发展放在重要地位。同时，大力促进集成电路国产化，推进国产集成电路产业化，效仿“4号文件”，“18号文件”更进一步的在企业所得税优惠，人才培养，投融资等方面给予大力支持[5]。
        在国际上，我国也要积极面对贸易政策，由于美国在近三届总统的任期中持续对中国给予多方位打击，且2016年美国国会研究服务局，2017年美国总统科学技术咨询委员会发布的相关研究报告显示，美国会对中国的集成电路产业加以限制。而他们也的确以此开始限制。包括“中兴事件”，“孟晚舟事件”，以及对国家几个超大型企业（对中芯国际的ASML光刻机，华为的台积电芯片及索尼摄像头等）的施压封锁，中国也需要一些措施与手段。其一便是根据世界贸易组织的原则来制定新的有关政策；另一方面则是关注国内的集成电路市场，做到更好的知识产权保护。
        3.2方向
        在我国集成电路产业落后于世界先进水平的情况下，我国需要一些对未来的思考与方向[6]。首先鼓励大型企业并购一些中小型碎片化企业，增加龙头企业。纵观世界集成电路领先企业，英特尔，AMD，英伟达，台积电等都是并购众多企业，从中收获零碎在各个角落的创新与专利，从而有了如今的霸主地位。我们也可效仿其重塑国内半导体行业参与企业之间的协同和联动，打通产业链从而引导行业提高集中度，一步步从当前掌握的LED、指纹识别IC市场，再向NOR Flash、CPU、GPU等国际先进领域发展。培育世界级龙头。其次是培育人才。我国虽然人口众多，但具有大学文化的人口仅有2亿人，硕士以上学历人口更少。优秀大学相较国外发达国家比例也少，从而导致我国目前在集成电路方面的人才稀缺。这也是国家创新力不足的一种体现，为了打破这种现状，国家应该投入更多资金来提升大学基础学科素养，吸引学生报考基础学科专业，从而增加我国在集成电路方面的人才和创新能力。这样才能更好地加速我国在集成电路方面对世界先进水平的追赶。最后是集中发力新兴技术。在可预见的未来，硅材料的极限即将随着制程工艺的提升而到来，摩尔定律也将失效。而我国作为后起之秀应开始发展以碳基芯片为首的新兴技术产业，在未来才能有更好的发展。
同时，集成电路在21世纪会有非常多的核心产品。在大数据时代的到来之际，我国需大力投入包括互联网、云计算、大数据、工业互联网，以及下一代通讯技术、人工智能、无人驾驶等发展要地从而更好地吸引资本投入，加大我国集成电路市场规模以此来更迅速的发展我国集成电路产业。
        4结语
        集成电路产业，作为世界上发展最快的产业之一，有其特殊的时效性。我国以极快的发展速度从落后世界50年到目前的落后10至20年，已经是一个不小的成就了。但是想要在可预见的未来中追赶上世界先进国家，我国仍需加大投入增添人才，从新兴技术产业入手，从而实现后者居上。
参考文献
[1]陈贤. 中国集成电路产业现状与未来发展(一)[J]. 中国电子商情(基础电子), 2014.
[2]刘雯, 马晓辉, 刘武. 中国大陆集成电路产业发展态势与建议[J]. 中国软科学, 2015, No.299(11):186-192.
[3]王阳元. 微电子科学技术和集成电路产业[J]. 中国集成电路, 2003(1):89-94.
[4]毕查德?拉扎维. 模拟CMOS集成电路设计[M]. 西安交通大学出版社, 2003.
[5]谈儒勇. 我国集成电路设计产业发展模式探讨[J]. 中国工业经济, 2002(9):38-45.
[6]王迪. 中国集成电路设计产业的发展趋势[J]. 商品与质量, 2017, 000(013):171.