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造"中国芯"有多难?制造一颗芯片就需要5000道工序

xueba  发表于 2018/4/28 9:35:51      424 查看 31 回复  [上一主题]  [下一主题]

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  海关总署公开信息显示,集成电路进口额从2015年起已连续三年超过原油,且二者进口差额每年都在950亿美元以上。其中,2017年中国集成电路进口量高达3770亿块,同比增长10.1%;进口额为2601亿美元(约合17561亿元),同比增长14.6%。2017年中国货物进口额为12.46万亿元,也就是说集成电路进口额占中国总进口额的14.1%,而同期中国的原油进口总额仅约为1500亿美元。中国在半导体芯片进口上的花费已经接近原油的两倍。


  芯片有几十种大门类上千种小门类
  芯片,是指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分。芯片组,是一系列相互关联的芯片组合。它们相互依赖,组合在一起能发挥更多作用。

  仅从产品种类来说,芯片的种类就有几十种大门类,上千种小门类;如果涉及设备流程的话就更多了。美国是整体式、全方位处于领先地位,而我们只是在某些领域里面有所突破,并且这些领域也并非核心、高端的领域,比如中国在存储器、CPU、FPG及高端的模拟芯片、功率芯片等领域,几乎是没有的。如果中国发力研发,在某些小的门类中可能会有所突破。


  一台通信基站内有上百颗芯片
  以运营商业务为例,通信基站设备是其最主要的产品之一,而在一台通信基站中就有上百颗芯片负责实现不同功能。“简单来说,基站发射并回收信号,收回信号后首先要有芯片滤波,稳定信号;然后还有芯片将这种特别小的信号放大;再有芯片进行解析、处理;然后是芯片负责传输、分发。基站核心跟电脑类似,可以实现各种功能,但它可以支持多个手机,因而速度更快,芯片更复杂。”上述人士表示。
  芯片内的焊接工艺,显微镜下焊接


  其中,最典型的是ADC芯片,中国目前还无法生产出可替代产品。ADC芯片是模数转换芯片,负责将天线接收的连续的模拟信号转换为通话或上网的数字信号。目前ADC主要依赖亚德诺、德州仪器等公司供应。

  从软件方面来说,EDA仿真软件是另一个典型。利用该软件,电子设计师才可以在电脑上设计芯片系统,大量工作可以利用计算机完成,并可以实现多个产品的结合试验等。如果没有EDA仿真软件,则需要人工进行设计、试验,耗费的人力、时间等成本不计其数。目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有十几种,基本都来自于美国。

  制造一颗芯片需要5000道工序
  一颗芯片的制造工艺非常复杂,一条生产线大约涉及50多个行业、2000-5000道工序。就拿代工厂来说,需要先将“砂子”提纯成硅,再切成晶元,然后加工晶元。晶元加工厂包含前后两道工艺,前道工艺分几大模块——光刻、薄膜、刻蚀、清洗、注入;后道工艺主要是封装——互联、打线、密封。其中,光刻是制造和设计的纽带。

  其中许多工艺都在独立的工厂进行,而使用的设备也需要专门的设备厂制造;使用的材料包括几百种特种气体、液体、靶材,都需要专门的化工工业。另外,集成电路的生产都是在超净间进行的,因此还需要排风和空气净化等系统。

  有说法认为,集成电路是比航天还要高的高科技。该业内人士表示,这种说法也不无道理,“航天的可靠性估计也就4个9、5个9的样子(X个9表示在软件系统一年时间的使用过程中,系统可以正常使用时间与总时间之比)。现在硅晶圆材料的纯度就要6个9以上。”


  全球芯片几乎被美日欧垄断
  目前,全球芯片仍主要以美、日、欧企业产品为主,高端市场几乎被这三大主力地区垄断。在高端芯片领域,由于国内厂商尚未形成规模效应与集群效应,所以其生产仍以“代工”模式为主。

  日本在上世纪80年代处于领先地位,但自90年代开始其全球半导体市场份额显著下降,至2015年仅有3家日本芯片制造商位列全球排名前二十:东芝、瑞萨电子和索尼。而与此同时,东亚其他国家已成为动态随机存取存储器市场的主要公司。韩国三星电子和海士力目前是世界第二和第三大半导体公司。

  根据美国半导体产业协会(SIA)的最新统计数据显示,2017年1月至2月,中国和美国的芯片市场规模份额扩大,分别为33.10%和19.73%;日本和欧洲的芯片市场份额有所下降,分别为9.29%和9.12%。中国芯片市场是全球最大、增长最快的市场,但是对外依存度过高。

  英特尔一直是世界上最大芯片制造商
  自1993年1月以来,英特尔一直是世界上最大的芯片制造商。个人计算机所用的CPU处理器中,英特尔就占据了八成份额。人们耳熟能详的奔腾、赛扬、酷睿等处理器都来自英特尔。目前,英特尔的年营收率仍然在继续增长:无论是从PC、数据中心服务器,还是物联网芯片。
  而在手机芯片中,高通是另一大巨头。目前国内除了华为、三星等手机厂商外,其余安卓手机厂商采用的全部都是高通处理器。除了购买芯片的费用外,高通还向每台手机收取专利费用。

  中国能否跳离美国IP核另起炉灶?
  有专家表示,我国集成电路的起步并不算晚,只比美国晚几年。但由于其间欧美技术封锁、国内历史问题等多种因素,目前与欧美的差距比较大,想要在短时间内追赶有难度。

  从整个行业来看,美国卡的是“IP(知识产权)”,“围绕IP的战争更激烈,就算你用了人家的技术,人家也有产权,你无法绕开它去解决问题。”资料显示,IP核将一些在数字电路中常用但比较复杂的功能块,如FIR滤波器、SDRAM控制器、PCI接口等设计成可修改参数的模块。上述人士表示,中国集成电路行业一直流行一个词语“弯道超车”,很多人在想,能否跳离美国的IP核而另起炉灶,另外开发一整套的生态系统?但这实在太复杂了。

  多位行业研究人士表示,目前中国的集成电路是系统性落后,整体提升需要从基础性研究和人才培养来做,需要比较久的时间,“我们需要先培养数学、物理等学科的基础人才。这些人提上来后,再由他们培养跟其他学科交叉的人才。他们需要掌握工业设计等技术。”

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