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      我國集成電路行業(yè)現(xiàn)狀分析與前景展望

      2019-03-25 08:21王駿銨
      中國科技縱橫 2019年3期
      關鍵詞:行業(yè)現(xiàn)狀前景展望集成電路

      王駿銨

      摘 要:隨著信息化、電子化的不斷發(fā)展,以集成電路為核心的數(shù)碼電子產(chǎn)品逐漸走進人們的生活。作為國家的高精尖科技領域,集成電路在軍用、商用、民用領域均有著重要作用。我國集成電路的產(chǎn)業(yè)起步較晚,目前還處于發(fā)展階段,并且高端產(chǎn)業(yè)距離國際先進水平差距較大,這些都是需要探討和解決的問題。本文從集成電路的整體發(fā)展歷程及現(xiàn)狀對上述問題進行研究,希望對行業(yè)的發(fā)展做出貢獻。

      關鍵詞:集成電路;行業(yè)現(xiàn)狀;前景展望

      中圖分類號:F426.6 文獻標識碼:A 文章編號:1671-2064(2019)03-0009-02

      0 引言

      集成電路是國家科技水平發(fā)展的標志,應用領域也極其廣泛,許多國家都將集成電路作為國家的重要產(chǎn)業(yè)。而我國在集成電路上起步較晚,行業(yè)也存在著許多問題,因此有必要對集成電路行業(yè)進行分析和論述,并對我國集成電路產(chǎn)業(yè)的問題給出一些建議,使其更加高效、穩(wěn)定地發(fā)展,從而更好地服務人們的生活。

      1 集成電路概述

      1.1 集成電路概念

      集成電路是一種微型電子器件,采用特定的工藝,把電路中所需的各元件及布線連接在一起,集成在一塊半導體基片(晶圓)上,然后封裝在一個管殼內(nèi),使其具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)。

      集成電路在很多行業(yè)市場內(nèi)都有著重要應用,比如基于半導體制造技術的傳感器市場,還有基于VR技術的可穿戴設備領域等等。常用的集成電路有:CPU、GPU、Bios芯片、充放電芯片及南北橋芯片等。

      1.2 集成電路特征[1]

      (1)可靠性:相比普通電子元件,由于集成電路已經(jīng)封裝一體,除意外高電流或電壓外不會輕易損壞。

      (2)微小性:一般的集成電路尺寸很小,集成度高,使用方便。

      (3)低功耗性:集成電路的功耗比普通電路低很多,由于制造工藝的逐步改良,日常生活中的各種集成電路發(fā)熱不高,采用集成電路比采用分離電路元件的功耗小許多。

      1.3 集成電路的發(fā)展歷程

      集成電路于十九世紀五十年代末出現(xiàn)。1971年,Intel公司發(fā)布了世界第一塊微處理器4004,是一款使集成電路從理論到多功能應用的元件。經(jīng)過近七十年的發(fā)展,從10μm工藝發(fā)展到現(xiàn)今的7nm、10nm。遵循著“摩爾定律”,集成電路在消費級上逐漸由內(nèi)置2300顆晶體管的4004發(fā)展到今天29億顆晶體管的i9-9900k,在服務器級別甚至有單顆96億晶體管的EPYC。其成長歷程基本是一條指數(shù)發(fā)展規(guī)律,十分迅速,并逐漸應用到各行各業(yè)的產(chǎn)品中,給人們的生活帶來了極大的便利。

      2 我國集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

      2.1 我國集成電路的發(fā)展

      我國集成電路產(chǎn)業(yè)起步較晚,整體落后美國20年。以中央處理器(CPU)為例,生產(chǎn)消費類產(chǎn)品的兩大公司為Intel和AMD,都來自美國,而中國在2001年才開始研發(fā)CPU,且研發(fā)速度也不及AMD和Intel[2],中美在CPU這一高精尖集成電路的發(fā)展上差距不是在減小,而是在增大?,F(xiàn)在,中國雖然已能量產(chǎn)22-28nm工藝CPU,并能制造14nm制程的CPU,但自主的研發(fā)和設計技術處于完全落后狀態(tài)。

      盡管起步較晚,但是在集成電路領域的經(jīng)濟和市場發(fā)展上,我國有著極高的增長率,市場銷售額從世紀初的975億元發(fā)展到2017年的5600億元。在巨大規(guī)模集成電路的發(fā)展上,我國走在前列,比如采用國產(chǎn)申威1600處理器的神威太湖之光超算在IBM發(fā)布Summit前就已占據(jù)世界超算排行榜榜首2年。不僅如此,在集成電路的封裝和制造上,中國已逐漸脫離純依賴國外設備的狀況,有望在將來成為集成電路封裝制造的新中心。

      2.2 我國集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

      現(xiàn)今,我國已初步建成了集成電路/半導體行業(yè)的產(chǎn)、研、銷售一體化體系。清華紫光的微處理器架構(gòu)和內(nèi)存顆粒、海思麒麟的手機SOC、兆芯海光的X86架構(gòu)民用CPU和龍芯申威的軍用CPU都已經(jīng)很成熟,而其中海思麒麟利用開源ARM架構(gòu)的手機SOC更是走在了世界前列。并且,在基礎的集成電路(整流橋、Bios芯片、充放電芯片、USB控制芯片等)領域,中國已經(jīng)發(fā)展到了國際主流水平,許多跨國公司都使用中國的基礎芯片,并讓中國的工廠代工。

      但是,表面上的“Developed”并不是真正的發(fā)達。我國集成電路產(chǎn)業(yè)仍有許多亟待解決的問題,而且問題表現(xiàn)在許多方面。比如日常應用最廣泛的民用電腦的CPU和手機的SOC這些核心產(chǎn)品,中國沒有自己的架構(gòu),完全依靠國外的X86指令集和ARM開源架構(gòu),自主程度不足。從性能上看,無論是海光、兆芯還是龍芯、申威,都有著不同的短板,雖然由申威1600處理器搭建成的神威太湖之光計算性能很強,但在單位性能上完全不及美國的中小規(guī)模超算;從研發(fā)上看,我國的研發(fā)機構(gòu)比較分散,而且在人力、物力、財力上我國的研發(fā)單位也根本無法與像英特爾這樣的公司相比。

      2.3 我國集成電路產(chǎn)業(yè)主要問題[3]

      (1)架構(gòu):我國現(xiàn)在的主要集成電路架構(gòu)質(zhì)量并不高,在微處理器上這點尤為重要,Intel和AMD兩大公司都已經(jīng)把架構(gòu)推向極限,使微處理器的性能基本只與頻率、規(guī)模有關,而我國的架構(gòu)相比則遜色很多,在架構(gòu)上仍然有很大的提升空間。

      (2)性能:前不久AMD發(fā)布了基于Zen2架構(gòu)的7nm服務器用處理器,是現(xiàn)今單顆性能最強的處理器,而我國為了達到這一顆處理器的性能需要多路眾核處理器,在規(guī)模、占地和經(jīng)濟性上有很大的劣勢;不僅如此,在DRAM設計和生產(chǎn)上我國也基本沒有優(yōu)勢,唯一拿得出手的是清華紫光的DDR3顆粒,與此對比的是三星、海力士、鎂光的高頻、優(yōu)制程的DDR4顆粒。不止這些例子,還有Nand、GPU、主控以及顯示芯片等,我國技術都與國際相差許多。

      3 中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展對策

      3.1 架構(gòu)和性能問題的解決方法

      (1)架構(gòu):架構(gòu)并不是一朝一夕能開發(fā)出來的,但中國要能在集成電路產(chǎn)業(yè)趕上世界的主流,就必須有自己的架構(gòu)、有自己的指令集。但這又是一個極其艱難的過程,就以我們發(fā)展集成電路的時間來看,短時間自主建立架構(gòu)并不現(xiàn)實,但并不代表不應該發(fā)展。以AMD為例子,世紀初的AMD,架構(gòu)落后,雖有高頻率卻完全無法與Intel的Core相比,而2017年Zen架構(gòu)的研發(fā)成功,RYZEN處理器的出世,AMD翻身了。架構(gòu)的進步有極限,而且現(xiàn)在世界主流正在推進至極限,但中國的架構(gòu)仍完全不及世界主流,在架構(gòu)上進行推進是中國高精尖集成電路發(fā)展的必經(jīng)之路,而且是能一直走下去,對以后的研發(fā)打基礎的一條路。而架構(gòu)的研發(fā),不可能靠單個研究單位或企業(yè),對于架構(gòu),全國各企業(yè)和單位應集中設計研發(fā)架構(gòu),因為它需要大量的人力物力財力。

      (2)性能:在性能上,以CPU和GPU為例,CPU的性能與架構(gòu)、主頻率、核心規(guī)模有關,而GPU與架構(gòu)、流處理器的數(shù)量和頻率有關。除架構(gòu)外,頻率是最重要的參數(shù),而頻率的高低與制程,即制造工藝有很大的關系,制程影響散熱和供電,進而影響頻率。即使我國由眾核多路處理器超算多次占據(jù)世界超算榜首,但單是靠多核多路來堆疊,不是一條長遠之路。對此,其一是應該提升制造工藝的質(zhì)量,在頻率和效能上下功夫;其二就是在線寬上下功夫,制程提高的同時將單核的性能盡可能拉高,進一步提高效能。

      3.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對策[4]

      (1)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上:現(xiàn)在的中國集成電路產(chǎn)業(yè)像一盤散沙,各單位和企業(yè)單干,無法很好地集中資金和人力進行高精尖項目的深入研發(fā)。僅是微處理器就有海光、兆芯、龍芯、申威等數(shù)家企業(yè)在研發(fā),并且研發(fā)方向各不相同,很大程度制約了研發(fā)進度。所以一定要集中人力、物力進行深入水平的開發(fā)工作,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),使各企業(yè)分布在各個環(huán)節(jié)上,做好分工。

      (2)市場上:我國集成電路產(chǎn)業(yè)的份額大多是由技術水平不高的低端集成電路市場占有的,在高端產(chǎn)業(yè)上的份額很小。這說明了我國市場研發(fā)水平的不足,所以市場一定要做好資金的分配,要傾向于高端產(chǎn)品市場,淘汰一些低端企業(yè)。營造一個更利于研發(fā)的高端市場環(huán)境。

      4 我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景

      4.1 國際趨勢

      世界現(xiàn)已形成了基本的集成電路分產(chǎn)業(yè)秩序,我國主要承擔的是生產(chǎn)基礎元件的任務。而歐、美等國家是設計、搭建高精尖集成電路的主力軍;日本、韓國承擔設計、制作大部分DRAM及Nand等存儲芯片的任務;我國臺灣和越南主要是代工生產(chǎn)的部分。微處理器的趨勢是高頻、多核、優(yōu)制程,而存儲器的趨勢是高速(高頻)和大容量。

      4.2 我國集成電路產(chǎn)業(yè)前景

      我國現(xiàn)仍處于初級階段,仍有很長一段路需要走。國際社會正處在信息化時代,而信息化的基礎便是集成電路產(chǎn)業(yè),無論是人工智能、虛擬現(xiàn)實還是大數(shù)據(jù),都離不開高級集成電路的支持[5]。由此看來,只要我國穩(wěn)步發(fā)展、跟上高端產(chǎn)品研發(fā)的步伐,未來集成電路產(chǎn)業(yè)可以發(fā)展得更好。

      5 結(jié)語

      我國的集成電路產(chǎn)業(yè)正以極快的速度成長,雖正處于初級階段,但擁有十分廣闊的前景,在未來的各大領域都能發(fā)揮不小的作用,雖然現(xiàn)不能與已發(fā)展數(shù)十年的美國相比,但相信我國集成電路產(chǎn)業(yè)在未來會逐步減小差距,在國際高端集成電路領域會占有一席之地。

      參考文獻

      [1] 愈忠鈺.我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].電子商務,1998(1):2-5.

      [2] 張本照,陳旭峰.我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對策[J].價值工程,2007,26(11):101-103.

      [3] 萬天才.我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展對策初探[J].半導體雜志,1999(1):14-18.

      [4] 陳銀燕,朱樟明.我國集成電路設計產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對策研究[J].科技進步與對策,2005,22(1):78-80.

      [5] 黃燦燦.試論我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景[J].科學技術創(chuàng)新,2010(21):12-12.

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