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王阳元院士:中国集成电路产业的短板

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作者:王阳元,微纳电子学家,中国科学院院士

4月22日,清华大学官宣正式成立集成电路学院。新成立的集成电路学院将瞄准集成电路“卡脖子”难题,聚焦集成电路学科前沿,突破关键核心技术,支撑我国集成电路事业的自主创新发展。

当前,我国集成电路产业的发展正处于机遇与挑战既同在又都有新变化的历史时期,如何抓住机遇、应对挑战?

王阳元院士在《科技导报》第3期发表的《掌握规律,创新驱动,扎实推进中国集成电路产业发展》一文中指出:首先要清晰地认识集成电路科学、技术和产业的发展规律,才能有效地利用和配置人、财、物等各种资源,使其产生最大价值,在满足市场需求和国际竞争的博弈中沿着正确的道路高速发展。


简要历史回顾

初始创业

20世纪60年代中期,首块集成电路诞生,中国集成电路产业开始萌芽。

20世纪60年代中期至70年代中期是国外集成电路产业迅速发展的时期,囿于国外禁运环境和国内文化大革命的环境所限,我们对集成电路技术及产业的发展规律认识不足,导致了中国集成电路产业总体规模小、技术水平低。

1975年,第1块以硅栅N沟道MOS集成电路技术为主体的1024位MOS动态随机存取存储器在北京大学研制成功,但在向全国企业成果转移时,并未取得理想结果。

在这一初始创业阶段中,管理部门只对工厂下达集成电路生产量(块数)的指标,1981年之前并没有销售额的统计。

探索前进

20世纪70年代后期,开始以不同方式对引进国外的设备和技术进行初步尝试。

为了加强对集成电路产业的领导,1982年,国务院“电子计算机和大规模集成电路领导小组”成立;1987年,电子工业部微电子器件局成立。

在各有关部门的指导下,陆续实施了“无锡微电子工程”、“908”工程和“909”工程,集成电路生产技术从5 µm逐步提升到0.35 µm。

但由于企业体制、投资、市场以及人才等诸多因素的影响,集成电路销售额增长有限,从1981年到1999年,全国集成电路产业销售总额仅由1.1亿元增长到79.5亿元,不足世界市场的1%。在这18年中,平均每年的销售额仅增长4.4亿元。

规范发展

自2000年起,在改革开放的大环境中,中国集成电路产业开始步入规范发展的轨道。

其标志性事件一是2000年6月24日《国务院关于印发鼓励软件产业和集成电路发展若干政策的通知(国发〔2000〕18号)》发布,二是“中芯国际”以及一批符合集成电路产业发展规律的企业陆续建立。

2003年,《半导体国际》杂志载文评价:“中芯国际把中国与全球权威者的差距由原来的4至5代缩小到仅剩1至2代。”

1999—2009年,中国集成电路产业平均每年销售额增长103亿元,集成电路加工技术达到了65 nm。

高速发展

从2009年起,中国集成电路产业步入高速发展阶段。

2011年1月28日《国务院关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知(国发〔2011〕4号)》的发布和2014年“国家集成电路产业投资基金股份有限公司”的成立是最重要的驱动力。

同时,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中实施的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”专项(01专项)和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”专项(02专项)的作用也逐步显现。

2009—2019年,中国集成电路产业平均每年销售额增长645.3亿元,是上一个10年平均增长额的6.3倍。

2019年,中芯国际的14 nm加工技术已经投入批量生产。

这10年间,中国集成电路产业销售额的年平均增长率为21.04%,是同期世界半导体市场年平均增长率6.18%的3.4倍。


1981—2019年中国集成电路产业发展

需说明的是,中国集成电路产业销售额的统计是设计业、制造业和封装业三业销售额的叠加,其中对集成电路产品销售额存在重复统计的部分;而WSTS统计的半导体市场仅对集成电路产品销售额进行统计,且仅限于对总部所在地企业销售的集成电路产品进行统计。

因此,中国集成电路产业销售额不是在世界集成电路市场中真正的“占比”,只是一个相对比值。

如果真正按照WSTS的统计标准和统计渠道进行统计,即仅对企业总部所在地(国家或地区)的企业及其产品销售额进行统计,2019年中国大陆企业集成电路产业销售额仅占世界市场的5%,是真实的、与国际接轨的“占比”。


2019年世界半导体企业(区域划分)销售额占市场总额的比例 数据来源:WSTS

鉴于中国消费和中国制造对集成电路的巨大需求,2009年起,中国半导体市场规模超过美洲、欧洲、日本而成为世界第一大市场。

2019年,中国半导体市场规模为1446亿美元(实际消费部分),占世界市场的35%。


2019年世界半导体市场的区域分布 数据来源:WSTS

如此巨大的集成电路市场,使得中国进口集成电路总额逐年增长,成为进口额第一的产品。


中国集成电路进口额 数据来源:中国海关

2019年,中国集成电路进口额为3055.5亿美元,而中国实际“消费”的集成电路市场额为1446亿美元,两者的差额正是中国作为第一制造大国的需求,即1609.5亿美元的进口集成电路随着各种整机电子信息产品又出口到世界各地,并未成为中国实际消费集成电路市场的组成部分。

现状与存在的问题

国际环境

自2016年美国政府换届开始,美国对中国的和平崛起采取了全面的打压和围剿政策。

包括在贸易中高筑关税壁垒,在系统层面阻挠中国5G产品进入美国和其盟友的市场,在应用层面要求下架抖音(TikTok)和微信(WeChat),在制造层面不允许台积电等代工企业为华为麒麟芯片加工并将中芯国际列入黑名单,在产品层面断供高端集成电路(处理器、存储器),在设备方面利用“瓦森纳协议”禁止ASML公司向中国出口EUV设备等。

这种“美国优先”的思想源于美国对世界资源的占有和掠夺。以用电为例,2020年上半年,美国居民人均每月用电342度(美国能源署数据),而中国居民人均每月用电为63.5度(国家统计局数据)。

美国前总统奥巴马于2010年4月15日在白宫接受澳大利亚电视台专访时说:“如果十几亿的中国公民有着和澳大利亚和美国居民一样的生活方式,那么世界将处于非常悲惨的境地,地球会无法承受。”

当我们没有的时候,对方封锁市场,让我们得不到最先进的技术和设备;当我们萌芽的时候,对方挤占市场,摧毁幼苗,将新技术、新产品扼杀在摇篮之中;当我们强大的时候,对方设立门槛,不允许在世界市场中分一杯羹,不能形成有效的外循环。

这就是美国阻遏中国发展的逻辑,为此,必须丢掉幻想,唯有自强才能彻底改变被他人制约的命运。

美国对中国集成电路产业的打压握有两个“杀手锏”:一是EDA软件,二是材料和设备(特别是EUV曝光机)。

对付这两个“杀手锏”,我们唯有正面迎战,才能撕开封锁的“铁幕”,正如毛主席所言:“以斗争求和平则和平存,以妥协求和平则和平亡。”

有3个成功案例佐证:

一是2018年5月上海中微半导体的刻蚀机进入了台积电供应链,美国马上放松了对刻蚀机的出口控制;

二是MOCVD设备被全球两大供应商(Axitron、Vecco)垄断,当上海中微半导体将国产MOCVD设备推向市场时,两大供应商将原价2000万元人民币的设备降价至600万元人民币,妄图将上海中微半导体挤出国内外市场;

三是笔者亲身经历的事件,1984年,中法两国时任总理签署了协议,中国采购法国的程控交换机,法国提供集成电路设计工具EDA源程序,而美国借助“巴黎统筹委员会”要求禁止法国出口EDA工具。

在这种形势下,中国决定以在产业中实用为指向,以企业为集中国内人力资源的基地,发挥举国体制的优势进行攻关。

在攻关队伍的建设中,引进国外专家为总设计师,笔者临危受命担任全国集成电路计算机辅助设计(ICCAD)专家委员会主任,以“不破楼兰终不还”的信念、“咬定青山不放松”的毅力,和全国118名专家学者一起开发出了中国第1部采用软件工程方法自行开发集成的、具有完全自主知识产权的、功能齐全的大型ICCAD系统,并命名为“熊猫系统”。

就在“熊猫系统”获得国家科技进步一等奖不久,美国EDA三巨头——Cadence、Synopsys、Mentor全都迫不及待地进入了中国市场。

国内环境

在共产党的坚强领导下,中国具有举国之力办大事的政治优势,这一点在抗击新冠病毒流行的“战疫”中得到充分体现。国内有着良好的发展集成电路的政治环境。

党的第十九届五中全会提出,“坚定不移建设制造强国、质量强国、网络强国、数字中国”,“发展战略性新兴产业”,“加快数字化发展”。

2020年8月4日,国务院印发的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》中强调,集成电路产业和软件产业是信息产业的核心,是引领新一轮科技革命和产业变革的关键力量。

为进一步优化集成电路产业和软件产业发展环境,深化产业国际合作,提升产业创新能力和发展质量,制定出台财税、投融资、研究开发、进出口、人才、知识产权、市场应用、国际合作等8个方面政策措施。

进一步创新体制机制,鼓励集成电路产业和软件产业发展,大力培育集成电路领域和软件领域企业。

此外,在经济方面,中国是世界第二大经济体,有着可靠的对集成电路产业的投资能力。

而且中国现在是世界第一制造大国,有较为完整的生产链,有广泛的能够融入世界市场的生态链。

在大学教育方面,增设了“集成电路科学与工程”为一级学科,扩充了培养集成电路科技人才的平台。

在“天时、地利、人和”的环境下,面对西方霸凌主义者的挑战,我们有信心、有能力加速发展中国的集成电路产业。

产业能力

1)设计能力

中国内陆的集成电路设计业已经超越中国台湾地区,成为全球第二大设计业聚集地,其销售额占全球集成电路设计业的比重由2004年的3.56%提升到2019年的42.99%。

但是,由于所设计产品多为中低档芯片,因此中国设计业的产品在2019年全球芯片市场的占比(按价值计算)仅为10.3%。

在中国大陆市场所用的1446亿美元的芯片当中,国产芯片的占比仅为29.5%,即逾70%的芯片为国外产品。

2)制造能力

2019年,中国拥有4英寸以上晶片集成电路生产线199条,其中12英寸生产线有28条(全球121条),8英寸生产线有35条。


2019年中国半导体生产线装机产能分布数据来源:魏少军在2020全球CEO峰会上的报告《人间正道是沧桑——关于大变局下的战略定力》

2019年,中芯国际作为中国最大的代工模式企业,在世界半导体代工市场的占有率为5.1%,营收为31.16亿美元,在全球排名第5,其营收额不足排名第一台积电357.74亿美元的1/10。

营收额中,90 nm工艺以下的占50.7%,65 nm工艺的占27.3%。

中芯国际14 nm工艺已经进入量产阶段,2020年年底,7 nm工艺已完成开发。2019年,中芯国际的资本支出为21亿美元,约为三星电子资本支出的1/10。

同是代工企业的华虹半导体公司,2019年在世界半导体代工市场的占有率为1.5%,在全球代工企业中排名第7,其65/55 nm射频与BCD特色工艺平台达到世界先进水平,14 nm的FinFET工艺已实现全线贯通。

2019年,武汉长江存储科技有限公司开始进入小批量生产阶段;2020年,在128层3D-NAND(快闪存储器)技术上取得突破,达到国际先进水平。

合肥长鑫存储技术有限公司在2018年进入量产阶段,产品为19 nm、8 GB的第四代双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDR4)。

3)封装能力

中国封测企业的代表是长电科技、通富微电和天水华天,三者在世界排名中分别为第3、第6和第7。

2019年,长电科技营收额为235.3亿元,在世界封测市场中的占有率为15%。

4)设备能力

部分刻蚀机、大部分离子注入机、扩散氧化和清洗设备可以由国产设备供给。

产业短板

1)高端芯片对外依存度高。

进口微处理器/控制器(占世界半导体产品市场11%)的金额从2014年的1052.2亿美元增长到2019年的1437.7亿美元,增加了385.5亿美元,增长比例为36.6%。

进口半导体存储器(占世界半导体产品市场26%)的金额从2014年的542.8亿美元增长到2019年的947.0亿美元,增加了404.2亿美元,增长比例为74.5%。

2)高端材料与设备自给率较低,在40~45 nm节点接近50%,在28 nm节点为30%,在7~14 nm节点仅为5%。

电子气体及金属有机物源(MO)对外依存度超过80%,化学机械抛光(CMP)的抛光液国产化率小于10%,溅射靶材大部分需要进口,用于大生产的300mm的硅片至今主要依靠进口。

3)EDA软件尚难以与“三巨头”抗衡,成系统的国产EDA软件市场份额不足5%。

4)缺少能够在世界市场中独树一帜的IDM型大企业。

5)人才,尤其是高端的、具有综合管理能力的人才严重不足。

科技导报授权转载

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