郭源生：贸易摩擦促使我国集成电路芯片提升核心竞争力

2024-04-14 23:54:43

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　　美国商务部近日宣布对中兴通讯公司执行为期7年的出口禁令，再度引发关于中国半导体芯片产业核心竞争力的担忧。我国集成电路技术发展路径如何？如何走上一条国产自主可控替代化的发展之路？本期邀请九三学社中央科技专门委员会委员、电子元器件专家、工信部电子元器件行业发展研究中心总工程师郭源生科普集成电路芯片等基础产业相关知识。

　　电子元器件作为整机或系统功能的基础，就像高楼大厦宏伟建筑中的钢筋水泥等材料，决定着其质量性能和品质优劣。一个整机的系统功能再强大，应用水平再高，性能再优越，也取决于所选用的基础元器件性能水平，特别是系统中使用的各种专用大规模集成电路芯片尤为关键，决定着系统或整机的功能和品质的优劣。即便是一个极为便宜的电阻电容器件出现质量问题，就会使整块电路板或整机报废，迫使价值高昂的系统产品毁弃，有些甚至无法返修。

　　据行业数据统计，2017年全球基础电子元器件的市场总销量为4300多亿美元，中国却高达2380多亿美元，占据了一半还多，其中90%以上依赖进口；同年仅集成电路进口量约为3770亿个，总金额为2587.9亿美元，与上年同期相比增长10.1%。而国产销量不足600亿美元，仅占总销量的36.17%。在基础电子元器件进口额度中，最大的是各类显示屏幕和固态存储（闪存和内存）芯片，约有七八百亿美元。而三星的AMOLED屏幕竟占了全球95%的份额，三星和韩国海力士存储产品占全球70%的市场份额。

　　电子元器件通常分为元件与器件。元件通常是指在加工生产过程中，没改变原材料分子成分的产品，属于不需要能源的器件，又称为被动元件，可分为电路类元件（包括：电阻、电容、电感等等）和连接类元件（包括：连接器、插座、连接电缆、印刷电路板(PCB)等等）。按分类标准，电子元件可分为11个大类。器件通常是指工厂在生产加工时改变了原材料分子结构的产品，主要特点是自身消耗电能和需要外界电源（例如晶体管、电子管、传感器、显示器、集成电路等），因为它本身能产生电子，对电压、电流有控制、变换作用(放大、开关、整流、检波、振荡和调制等)，所以又称有源器件。按分类标准，电子器件可分为12个大类。随着工艺技术不断发展，元件与器件的混合度提升，范围不断扩大，区分的难度就越来越大。比如各种屏幕、接插件、连接器、光电元器件、感光元器件、摄像头模组、射频元器件（射频功放、滤波器、分频器、开关器件、天线、电缆）等等，甚至电机、变压器，以及各种功能组件、模组、电子材料等等都可归在内。

　　据行业内估算，目前全球电子元器件大约有上亿种以上，可形成产业化生产的也约有1000万种以上。企业约有2万多家，国内约有7000多家。大型企业员工有数十万人，小微企业仅有几个人。从企业资产规模投资来看，规模在数百亿和千亿人民币“大象级”的属于集成电路厂和显示器件厂，业内在技术上有一点儿独到之处的作坊式企业占据大多数。业内相比较来看，高端制造业，尤其是集成电路长期被国外垄断。

　　我国是元器件制造大国，但并非制造强国。2017年行业统计，我国电子元件制造行业规模总资产达到10746.29亿元，较上年同期增长6.74%。行业销售收入为15355.45亿元，较上年同期增长4.14%。利润总额为859.88亿元，较上年同期增长6.15%。总体来看，我国在基础电子元器件行业近几年发展速度较快，整体水平有明显提高，尤其在军用电子元器件上。但与世界先进水平相比，在行业整体技术积累和高端人才上仍有一定差距。

　　集成电路（简称IC）是一种微型电子器件或部件。当今世界大多采用硅（Si）和锗（Ge）半导体材料，通过平面工艺技术，把某个功能电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线集成起来组成一个整体，相当于把一个具有一定功能的电路板块或单元，制作在半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构，称其为集成电路。具有微小型化、低功耗、智能化和高可靠性的特征。集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备、加工工艺、封装测试、批量生产及设计创新的能力上。

　　芯片行业遵循已久的摩尔定律认为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数目，约每隔18至24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。充分揭示了信息技术进步的速度。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，每隔18至24个月就翻一倍。从西方实际情况来看，这种规律基本吻合并也已持续了半个世纪，其主要标志体现在集成电路的内部线宽上。每次工艺提升，都会使线宽更小、集成元件更多、功耗更低、工作频率更高、性能更强。半导体工艺从几十微米到几微米，再到几百纳米，一直到130纳米，65纳米，45纳米，28纳米，20纳米，16纳米，14纳米，9纳米，直到今年三星马上量产的7纳米，每隔两三年就更新一代。以及个人计算机（即PC）的微处理器芯片、半导体存储器和系统软件三大要素市场化应用与发展历程来看，与摩尔定律都是完全吻合的。由于半导体光刻技术等瓶颈问题，再加上半导体做得越来越接近物理极限，现在更新换代速度正在慢下来，这对于中国来说是一个机会。

　　对芯片制造商来说，光刻机是核心的生产设备。芯片制造商要想成功地制造出高性能的芯片来，必须用到高性能的高端光刻机。而光刻机恰恰是中国半导体设备制造上的最大短板，国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口，其核心技术长期被荷兰、日本、德国等把持，龙头老大是荷兰ASML（阿斯麦）公司，占据全球高达80%的市场份额。目前，国际最高水平的是EUV（极紫外线）光刻机，线宽可以到几纳米，售价高达1亿多美元，且全球仅仅ASML能够生产，在干式曝光机、浸润式光刻机、EUV（极紫外线光刻机）的市场几乎处于独霸地位，Intel、台积电、三星14nm光刻机都是来自ASML，并且有技术人员驻厂，格罗方德、联电以及中芯国际等晶圆厂的光刻机主要也都是来自ASML。由于生产难度和成本都非常高，全年仅能生产12台，无法满足市场需求，2018年可望增加至20台，现累积未出货订单约27台，其中有5台已被台积电预订，费款高达5.5亿美元。采用EUV光刻技术，芯片生产周期将由其他工艺的80天大幅缩短为20天，良品率也会大幅提高。

　　中国半导体线年，当时中国最大的半导体制造商中芯国际集成电路制造有限公司成立，但在成立之初已面临了美国国际商用机器公司（IBM）、英特尔等科技巨头，以及台湾积体电路制造股份有限公司等强大代工厂的激烈竞争，伴随其间的还有巨大的行业人才缺口。

　　半导体芯片是一个需要高投入、规模效应的产业，投资周期长、风险大，很多人不愿涉足。随着我国经济实力持续增强，国家加大基础领域投入，特别是集成电路产业投资，成立了集成电路产业基金大力扶持其发展，也有相应机制引入社会资本全面关注。目前国内最先进的是中芯国际和厦门联芯的28纳米产线纳米作为研发重点，争取在2019年底之前量产。台积电在南京投资的16纳米工厂计划2018年底量产。距离三星、台积电7纳米产线，以及英特尔使用EUV光刻机5纳米产线还有一定距离。

　　从芯片应用技术角度来看，在国内市场需求推动下，部分已经走向国际前列。华为公司是核心电子元器件自主率最高的中国企业，除了手机CPU是自己设计外，网络产品中的交换机、路由器、电源管理等诸多芯片都是自己设计国外代工的。当然，也有大量的电子元器件仍需要进口。

　　国际通常来说，电子元器件按照工作环境温度和抗辐射能力，从低到高排列划分为民用、工业、军用、航天级四个等级。民用级电子元器件基本只能工作于室温下，抗辐射抗干扰能力很低。工业级可工作于户外和工业车间环境，工作温度范围更广，有一定抗干扰能力。军用级则可在更严酷的环境下工作。航天级是顶点，可在宇宙空间中工作，芒果体育有太阳直射时能达到零上200多度，处于阴影之中是零下一二百度，还有各种辐射包括X光、阿尔法粒子、电磁波等等的强辐射。四个等级执行的标准完全不同，相互是不可替换的。产品的等级差异和产量规模不同，采用的生产制造工艺也完全不同，以军用IC和民用IC生产为例，可以更清楚看出两者的差异和不同之处：军用IC芯片在使用材料、制造工艺和封装工艺都与民用品大不相同，为了达到严酷的工作环境和可靠性要求，反而还特别需要更大的线宽来承载大电流，通常都是采用6-8英寸晶圆、几十微米级线宽生产线，完全满足各种要求，并不需要像英特尔、台积电和三星等纳米级的先进生产工艺。我国在军用和政府IT系统中的CPU产品，也初步形成了完全自主研发和产业化能力，解决了国家数据信息安全问题。从龙芯、海光、兆芯、申威，再到arm架构的处理器，甚至是软件平台系统，我国基本上实现了整个计算机和网络设备完全自主。总体来说，我国军用电子元器件除少数产品需要进口外，大多都可由国产满足需求并且相对较为稳定。即使是需要进口，也是可以通过各种渠道比较容易买到。

　　实现“中国制造”从大到强，关键看在技术密集型行业和产业链高附加值阶段是否发生了进口替代，是否迈向了产业链中高端，是否掌握关键技术并能迭代创新。

　　党的十九大提出“加快建设创新型国家”，明确“创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑”。强调要“突出关键共性技术、前沿引领技术、现代工程技术、颠覆性技术创新”，更加明确了技术创新方向。在“十三五”规划等一系列政策引导推动下，随着产业结构调整与转型升级推进，各种政策已经开始转向基础产业和相关领域，各类资本都在研究基础电子元器件行业领域的相关产品。例如，在屏幕显示器件产品中，已有京东方、柔宇科技、国显光电等八个OLED的在建项目，每个投资额都是四五百亿人民币，相继在未来两年内达到规模化量产，可预期两年之后，三星对OLED产业的垄断将被彻底打破；固态存储（闪存和内存）芯片方面也在跟进，已经开工建设的长江存储的投资额为240亿美元，紫光南京DRAM工厂投资额105亿美元，紫光同时控股了长江存储，并规划在南京和成都各再建一个3DNANDFlash工厂，总投资500亿美元。

　　美国这次单边挑起的贸易摩擦，促使我们在全行业、各层级，进一步形成共识。这对于长期低迷的电子元器件制造业，无疑是一次产业发展的机遇。应该坚信，经过这次中兴事件警示后，政府及各类资本除了加大投资外，还有更多的政策扶持和相应的市场服务。在国内市场牵引，以及资本撬动和相关产业政策推动下，以工业化基础技术与标准等产业生态体系建设为目标，打造以企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的技术创新体系与基础产业生态环境正在形成。可以清楚地看到，两三年之后，我国电子元器件产业将会迎来飞跃式发展，整体水平将会大幅提高，长期依赖进口的局面会大幅改变，全行业将以一个崭新的面貌展现给世人与国际社会。（本文作者为九三学社中央科技专门委员会委员、电子元器件专家、工信部电子元器件行业发展研究中心总工程师郭源生 本文刊载于《人民政协报》2018-05-09期12版）