事件：國家科技體制改革和創新體系建設領導小組第十八次會議5月14日在北京召開。會議專題討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術。
芯片微縮工藝在傳統摩爾定律范式下已經運行了半個世紀,目前即將走向盡頭,,這是硅的物質極限所決定的,也是全新的AIoT計算架構的要求,未來將在材料和封裝上創新,具體體現在五大方向:
1、成熟工藝(八寸片、功率半導體):
IGBT和MOS管屬于開關電源,是工業之米,必選消費品,廣泛的應用在消費電子,家電,汽車和工業領域。在消費電子領域,隨著5G的推廣以及電池能量密度的局限性,快充的需求在逐年增長,所以快充中需要的MOS管的需求也隨之釋放。這些年新能源汽車的興起,對IGBT在內的功率半導體需求大度增加,同時也拉動MOS管和各類的二極管的需求。隨著節能環保,碳中和的概念被提出,在光伏,風電等領域國產替代的加速,也拉動國內功率半導體的需求大幅增加。
在目前的國際貿易大環境下,國內功率半導體公司迎來非常好的發展環境。目前功率半導體領域還是英飛凌,意法半導體,三菱電機和富士電機等歐洲日本企業來主導,但隨著國內企業的崛起,未來在硅基領域,國內企業有望實現份額的顯著提升。
功率半導體很多工藝平臺主要在8寸,并且8寸和12寸工藝上差別不大,從線寬角度看,12寸功率半導體也僅僅是90nm,只有做到功率IC才會往65nm線寬去發展。這意味著國內絕大多數半導體設備和材料公司都可以為功率半導體產線提供設備和材料,從而最大限度的解決了卡脖子瓶頸問題,這是功率半導體發展的基礎。同時隨著國內新勢力造車,以及中國的人口優勢,在未來新能源汽車滲透率逐年提升的行業背景下,國內功率半導體公司將迎來黃金發展期。
2、第三代半導體(SiC、GaN):
全球第三代半導體產業格局呈現美、歐、日三足鼎立格局,其中美國一家獨大。隨著中美貿易戰的不斷升級,半導體芯片領域成為了中美必爭之地,伴隨著華為被列入實體清單,高端裝備等領域的國產化勢在必行。此外,SiC材料和器件在軍工國防領域的重要作用,也越來越突出。我國GaN產品逐步從小批量研發、向規?；?、商業化生產發展,目前GaN單晶襯底實現2-3英寸小批量產業化,4英寸已經實現樣品生產。對于GaN異質外延襯底已經實現6英寸產業化,8英寸正在進行產品研發。GaN材料應用范圍從LED向射頻、功率器件不斷擴展。
器件發展,材料先行,IDM模式將繼續成為行業主流。SiC將會取代Si作為大部分功率器件的材料,但不會完全替代,因為數字芯片并不適合采用SiC對Si進行替代,因此SiC預計占整個半導體行業10%左右。SiC主要應用在功率半導體上,IDM模式能夠確保產品良率、控制成本。目前國內外差距沒有一、二代半導體明顯。先發優勢是半導體行業的特點,Cree高市占率也印證了先發優勢的重要性。相較于Si,國產廠商對SiC研究起步時間與國外廠商相差不多,因此國產廠商有希望追上國外廠商,完成國產替代。
3、先進封裝(SiP、SOIC、CoWoS):
先進封裝之所以能夠成為持續優化芯片性能和成本的關鍵創新路徑,主要在于以下兩點:
1．小型化:通過單個封裝體內多次堆疊,實現了存儲容量的倍增,進而提高芯片面積與封裝面積的比值。3D封裝首先突破傳統的平面封裝的概念,組裝效率高達200%以上。
2．高集成:以系統級封裝SiP實現數字和非數字功能、硅和非硅材料和器件、CMOS和非CMOS電路等光電、MEMS、生物芯片等集成在一個封裝內,完成子系統或系統。
SiP將不同用途的芯片整合于同一個系統中,在系統微型化中提供更多功能,而且還使得原有電子電路減少70%-80%。先進封裝技術引領封裝行業發展趨勢,是未來低功耗、高性能、小型化終端應用的必然選擇。
布局競速,龍頭競相卡位先進封裝。先進封裝對延續摩爾定律生命周期的重要性,也引起了晶圓廠商和IDM廠商的重視,為搶占技術高地,全球主要封測廠、晶圓廠、IDM都在加緊布局先進封裝。
臺積電引入CoWoS作為用于異構集成硅接口的高端先進封裝平臺以來,從InFO(集成式扇出技術)到SoIC(集成芯片系統),再到3D多棧(MUST)系統集成技術和3D MUST-in-MUST(3D-mim扇出封裝),進行了一系列創新。包括日月光的FoCoS,Amkor的SLIM、SWIFT,我們認為先進封裝技術已成為封裝行業未來的主流發展趨勢。
得益于對更高集成度的廣泛需求,以及5G、消費電子、物聯網、人工智能和高性能計算HPC等大趨勢的推動,業界需要依靠先進封裝來對沖芯片制造端的阻力,先進封裝逐步進入其最成功的時期。根據Yole數據顯示,全球封裝收入的年復合增速為4%。
其中先進封裝市場的年復合增速達7%,到2025年先進封裝收入將達到422億美元,而傳統封裝的年復合增速僅為2%。此消彼長之下,全球先進封裝的收入占比將從2014年的38%,預計上漲至2025年的49．4%,占據半壁江山。
4、特色工藝制造(射頻):
射頻前端模塊(RFFEM)是終端通信的核心組成部件,介于天線和收發之間。射頻前端模塊主要包括開關(Switches)、功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、濾波器(Filter)/雙工器(Duplexer)等。
射頻開關(Switch):通過將多路射頻信號中的任幾路連通,實現不同信號路徑的切換,包括接收與發射的切換、不同頻段間的切換等,以達到共用天線、共用通道的目的。主要包括移動通信傳導開關、WiFi開關、天線調諧開關等。
天線調諧器(Tuner):連接發射系統與天線的一種阻抗匹配網絡,使得天線在所應用頻率上輻射功率最大。
低噪聲放大器(LNA):把天線接收的微弱射頻信號放大,并盡量減少噪聲的引入,能有效提高接收機的靈敏度,進而提高收發機的傳輸距離。
功率放大器(PA):把發射通道的微弱射頻信號放大,使信號獲得足夠高的功率,實現更高通信質量、更遠通信距離。
濾波器(Filter):通過信號中特定頻率成分并極大衰減其他頻率成分,提高信號抗干擾性與信噪比。
雙工器(Diplexer):由兩組不同頻率的帶通濾波器組成。利用高通低通帶通濾波器的分頻功能,使得兩條信號路徑可以使用同一天線或傳輸線,實現同一天線對兩種不同頻率信號的接收發送。
射頻前端器件一般使用成熟制程,不跟隨摩爾定律迭代。射頻前端器件對GaAsGaN等新材料、新工藝的需求遠勝于對先進制程的需求。射頻前端器件對于移動通信意義巨大、市場廣闊,在后摩爾定律時代,有利于我國追趕、反超世界先進水平。
5、計算架構(IP、ARM、RISC-V):
2021年3月,ARM推出近10年來最大的指令集更新Arm V9。Arm V9在完全兼容前代V8的基礎上,以安全性、AI性能、矢量計算拓展作為三大支柱。Arm V9將實現下游應用的從端到云,從高能效到高性能的全面覆蓋,為ARM在未來十年成為下一個3000億芯片的計算平臺奠定了基礎。RISC的另一條路徑是采用RISC-V指令集。RISC-V具有完全開源、架構簡單、易于移植、模塊化設計、完整工具鏈支持等特點,適用于現代云計算、智能手機和小型嵌入式系統。英偉達的GPU也使用了RSIC-V內核,組成了異構計算單元。RISC-V未來有望成為和X86、ARM比肩的重要架構。
異構計算是后摩爾時代,以GPU、FPGA、ASIC為代表的專用計算芯片的崛起。在異構計算中,芯片可以發揮各自所長的情況下,通過HSA架構共享數據,提升整體的計算效率,最終實現“1+1>2”的結果。以特斯拉FSD和英偉達Xavier為代表的電車智能駕駛芯片為例,它們同時集成了GPU、CPU、NPU、ISP、DLA等至少10種芯片。
在異構計算時代,采用Arm指令集的Cortex A系列IP核相較于X86指令集的IP核具有先發優勢,英特爾直到2019年才推出同時使用SunnyCove大核和TreMont小核的LakeField異構處理器。同時,存算一體架構,旨在將過去以計算為中心的架構轉變為以數據為中心的架構,可以徹底消除馮諾依曼架構的瓶頸,特別適合目前后摩爾時代以AI深度學習這樣大容量大規模并行的應用場景。
