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一文分析中国IC事业的发展

2020-11-06 18:04 次阅读

芯片或集成电路(以下简称IC)对于经济增长具有显著的倍增器作用,据中国电子信息产业发展研究院副总工程师安晖在2020年中国计算机大会(CNCC)技术论坛“新变局下的IC自主研发战略”上介绍,1元产值的IC可带动100元以上的国民经济增长。除此之外,仅从实用角度看IC也是生产生活不可或缺的战略性基础物资,因而有能力的国家对于集IC的科研、产业布局十分重视,中国也不例外。但目前中国在IC领域面临着严峻挑战,能否摆脱IC领域的“卡脖子”境况对于中国的发展特别重要。为此政府、科研界、产业界等都在积极探寻中国IC的发展道路。本文是在总结CNCC上两位特邀嘉宾的报告,以及上述CNCC技术论坛的发言内容后形成的,主要目的是让大众了解中国IC事业面临的挑战和机遇,让专业人士能够找到IC事业的发力点,共同推进中国IC事业的发展。

一、IC的发展进程及面临的技术挑战

IC从20世纪60年代开始起步,一直以来基本遵循着摩尔定律在快速发展。摩尔定律是英特尔创始人之一戈登•摩尔的经验之谈,其核心内容为:单位面积的IC上可以容纳的晶体管数目大约每经过18个月便会增加一倍。另外一种说法是,处理器的性能每隔18个月翻一番,而价格下降一半。

IC的发展涉及设计、制造、应用等环节,设计又涉及电子设计自动化(EDA)软件和IP(IntelligenceProperty,知识产权)、结构等;制造涉及材料、装备(如光刻机等)、封装、测试等环节;应用涉及商业模式、产业生态链等。IC的发展非常迅速,在材料方面,本世纪以来,已有47种新材料进入IC制造。器件结构方面则是从平面到立体,如立体栅结构的FinFET,台积电已经开始以5nm工艺量产。另外处理器经历了SSI、MSI、LSI、VLSI、多核VLSI等阶段,即将迈向第5代。集成技术方面,从平面到三维集成的转变,拓展了器件密度提升的维度。光刻技术方面,从光源、镜头的材料与结构、图形传递模式多元化的创新,到极紫外光刻(EUV)技术的突破,使5nm技术的实现有了保证。商业模式方面,从早期的IDM模式,即IC设计、制造、封装和测试等环节集于一身(该模式下IC领域进入门槛高,属于少数人的游戏),逐渐发展出Foundry模式,即IC开始了设计、制造、封装的相对独立发展,给予更多玩家进入该领域的机会,整个产业发展也更加蓬勃。

当前IC发展面临诸多技术挑战,如:

1.FinFET器件微缩挑战:5nm以下技术节点中,较薄的Fin引起迁移率严重退化;较高的Fin形成源漏外延质量变差,通过应变技术提高器件性能有限。

2.器件结构:从FinFET到垂直堆叠Nano-sheet,再到Fork-sheet/CFET,以进一步优化面积利用率、提高集成密度。随着IC微缩到5nm以下,预计FinFET将走到尽头,而垂直堆叠的环绕闸极(GAA)Nano-sheet被认为是由FinFET器件自然演变而来。为了将Nano-sheet器件的可微缩性延伸到2nm节点及以下,目前业界寄希望于Fork-sheet/CFET器件。

3.埋入式电源线(BPR):将Vcc和地线埋入前端工艺中,压缩标准单元面积、节省互连空间。埋入式电源线被认为是5nm及以下工艺制程的重要技术。

4.光刻技术:EUV技术的持续改进。

5.AirGap侧墙技术:可降低栅极寄生电容25%以上,该技术可使7nm工艺的产品在性能上甚至优于5nm工艺的产品。

6.新的互连技术:引入新材料,采用新集成技术来降低互连RC延迟。

另外,设计工具、制造封装工艺等方面的改进也面临重大挑战。

二、中国IC发展的瓶颈

中国IC产业处于高速成长阶段,近十年年均复合增长率超过20%。2020年上半年销售额3539亿元,同比增长16.1%。产业从过去的“大封测、小制造、小设计”逐步过渡到现在的“大设计、中封测、中制造”,这是很好的发展趋势。但中国IC产品的自给率低,2019年中国IC进口额超过3000亿美元,预计到2022年IC自给率可达到16.7%[3]。从技术角度看,目前我国在IC设计环节有所突破,但整体上和先进国家差距甚大,且越往高端差距越大。以处理器IC为例,国产芯片的占有率如下表所示[3],产业生态令人忧虑。

我国IC产业在通用芯片领域完全无法和国际优势厂商竞争,桌面处理器市场被Intel和AMD完全垄断,服务器处理器市场Intel占比达96.7%。

在IC产业链的EDA、IP、装备、设计、制造、封装测试、掩膜制造、材料等环节上,中国在IC设计上勉强说得过去,而在其它环节均处于弱势,特别是在IP、EDA、光刻机、IC制造4个环节被卡住了脖子!

而若想打破这种受制于人的困境可谓是困难重重,其困难主要体现在以下几点:

1.相关的软件生态庞大复杂,芯片市场化壁垒高。

2.芯片制造产业链长,涉及130多种装备、5大类500多道工艺、7大类530种材料,一环被卡,整体就会被卡。

3.中国还没有自主的生态,芯片的生态由别国企业掌控。

4.专利和IP壁垒,很多时候很难绕过去。

5.EDA软件风险:使用先进的EDA软件才能设计出最好的芯片,但如果最好的EDA不销售给中国,或者EDA中留有后门,后果肯定会比较严重。

6.从科研到产业,投入巨大,科研需要积累,产业形成需要时间,这加大了芯片产业赶超的难度。尽管目前政府和企业对芯片产业十分重视,政府出台相关政策,同时政府和企业投入大量资金,但短期解决全部问题是不可能的。

7.学科和人才培养方面,IC相关技术涉及面广,需融合电子信息、物理、化学、材料、自动工程等40多种学科,需要从业者有综合知识背景、交叉技术技能、融合创新等素质,目前的教育体系无法提供足够的支持。

三、我国IC产业发展路在何方?

我国IC产业发展经历了多个发展阶段,目前还处于十分被动的地位,这说明发展IC产业没有所谓捷径可走,需要沉下心来一步一步将所有难关攻克。个人的一些观点如下:

1.国家层面整体规划十分重要。由于IC涉及面广,发展IC产业是一个非常庞大的系统工程,需要整体规划。

2.放弃全面超越的目标。全面超越是近期无法实现的目标,在产业链中形成互相制约的局面即可。

3.寻找少量关键点重点支持和突破。在上述思路的前提下,寻找可以迅速突破的一些点位,重点投入,重点突破,形成可以互“卡”、可良性发展的局面。

4.寻找新的技术增长点,在实现上述目标的基础上,达到局部占优。

5.改善科研和教育体系。科研方面一方面要加强基础科学研究,另外一方面要重视技术和工程及应用,不唯论文;教育方面要重视能力训练而不是目前的知识灌输,同时要围绕IC工程系统布局相关专业和学科。培养一大批有家国情怀,有科学精神和具备科研、工程、产业能力的专业人士对于IC产业发展十分重要。

6.做好持久竞争的准备。这是一项长期工程,需要做好持久投入的准备,长远布局,长期坚持才有可能达成目标。

7.打击学术和产业骗子。政府加大支持力度,会引来一些滥竽充数者,需要加大识别和打击力度。

8.要以开放的心态发展基础科研、技术和产业,积极参与国际合作。

9.要有信心。中国有巨大的市场需求,同时已建立起现代的科研、教育、工业体系,只要自己有信心,就会有巨大的发展。
责任编辑人:CC

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Broadcom通过其ExpressFabric计划和硬件与软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。   业界首创的ExpressFabric平台可实现高性能,低延迟,可扩展,基于Gen3 PCI Express的经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并使用标准PCIe枚举–使多个主机能够驻留在单个基于PCIe的网络上。以前PCIe设备上没有的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
发表于 07-04 10:31 62次 阅读
PEX 9712 12通道,5端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

BCM56160 SERIES 企业以太网交换机

为满足与新WiFi接入点更快连接的需求,Hurricane3增加了对2.5GE前面板端口速度和增加堆叠带宽的支持,同时保持其在PHY集成方面的领先地位,CPU和收发器。    功能 与片上千兆PHY的最高集成度,CPU,10GE收发器 支持802.11ac第2波接入点的2.5千兆端口 具有10千兆以太网上行链路和堆叠端口,可扩展性  应用程序 企业局域网交换
发表于 07-04 10:29 315次 阅读
BCM56160 SERIES 企业以太网交换机

PEX 9781 81通道,21端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

Broadcom通过其ExpressFabric计划和硬件与软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。   业界首创的ExpressFabric平台可实现高性能,低延迟,可扩展,基于Gen3 PCI Express的经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并使用标准PCIe枚举–使多个主机能够驻留在单个基于PCIe的网络上。以前PCIe设备上没有的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
发表于 07-04 10:19 89次 阅读
PEX 9781 81通道,21端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

PEX 9716 16通道,5端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

Broadcom通过其ExpressFabric计划和硬件与软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。   业界首创的ExpressFabric平台可实现高性能,低延迟,可扩展,基于Gen3 PCI Express的经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并使用标准PCIe枚举–使多个主机能够驻留在单个基于PCIe的网络上。以前PCIe设备上没有的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
发表于 07-04 10:18 66次 阅读
PEX 9716 16通道,5端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

PEX 9765 65通道,17端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

Broadcom通过ExpressFabric计划和硬件和软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。业界首款ExpressFabric平台可实现基于Gen3 PCI Express的高性能,低延迟,可扩展,经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并允许多个主机使用标准PCIe枚举驻留在单个基于PCIe的网络上 - 这是PCIe设备以前无法提供的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
发表于 07-04 10:18 161次 阅读
PEX 9765 65通道,17端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

PEX 9749 49通道,13端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

Broadcom通过ExpressFabric计划和硬件和软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。业界首款ExpressFabric平台可实现基于Gen3 PCI Express的高性能,低延迟,可扩展,经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并允许多个主机使用标准PCIe枚举驻留在单个基于PCIe的网络上 - 这是PCIe设备以前无法提供的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
发表于 07-04 10:18 111次 阅读
PEX 9749 49通道,13端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

PEX 9733 33通道,9端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

Broadcom通过其ExpressFabric计划和硬件与软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。   业界首创的ExpressFabric平台可实现高性能,低延迟,可扩展,基于Gen3 PCI Express的经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并使用标准PCIe枚举–使多个主机能够驻留在单个基于PCIe的网络上。以前PCIe设备上没有的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
发表于 07-04 10:18 140次 阅读
PEX 9733 33通道,9端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

HARPOON 采用Xelerated城域以太网应用的24xGbE + 2x10-GbE交换机参考设计

Broadcom的Dune Networks Fabrics FAP20V流量管理器和Xelerated的X11网络处理器共同为高性能城域以太网交换机和支持IPv6的交换机提供了最强大,最具成本效益的解决方案之一/routers.  Harpoon是一种生产就绪设计,基于1U pizzabox格式的价格/性能领先商家设备,用于运营商环境。系统供应商可以选择两种方案:1)直接利用现有的制造和物流安排,并以最少的客户调整(通常是颜色,前面板图形和可能的表格内存大小)订购Harpoon,或者2)使用以下方式设置自己的生产Dune Networks和Xelerated提供完整的制造IP。 功能 专为批量生产而设计,并且系统供应商的产品组合尽可能缩短产品上市时间 完全访问制造IP,允许客户利用Xelerated和Dune Networks建立的现有EMS安排,或使用自己的制造 基于城域以太网的主要关键组件,Dune Networks FAP20V流量管理器和X11网络处理器确保线速性能和运营商级QOS处理 紧凑型1U高度X 390mm深度,适用于运营商环境,具有前后冷却,双冗余电力r和风扇冗余 包括经过验证的城域以太网应用及其用于控制​​平面软件集成的API 应用 运营商和服务提供商服务器(交换机) 数据中心服务器(切换)...
发表于 07-04 10:18 84次 阅读
HARPOON 采用Xelerated城域以太网应用的24xGbE + 2x10-GbE交换机参考设计

PEX 9797 97通道,25端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

Broadcom通过其ExpressFabric计划和硬件与软件平台扩展了PCIe的范围,用作数据中心和云计算的结构。 ExpressFabric可以消除机架内昂贵的桥接设备,例如将本机PCIe转换为以太网并返回PCIe的适配卡。然而,ExpressFabric可与机架内使用的其他标准以及机架到机架的连接无缝协作。   业界首创的ExpressFabric平台可实现高性能,低延迟,可扩展,基于Gen3 PCI Express的经济高效的结构功能。该平台提供了与标准SR-IOV或多功能设备共享I / O的能力,并使用标准PCIe枚举–使多个主机能够驻留在单个基于PCIe的网络上。以前PCIe设备上没有的功能。主机通过类似以太网的DMA进行通信,并使用标准主机,端点和应用软件进行通信。...
发表于 07-04 10:17 263次 阅读
PEX 9797 97通道,25端口,PCI Express Gen3 ExpressFabric平台

BCM52311 BCM52311异构知识处理器

BCM52311基于知识的处理器(KBP)可在大规模数据库上执行高速操作,适用于各种电信应用,包括企业交换机和路由器。它提供网络感知功能,并对路由配置进行实时修改和更新,使其成为数据包分类,策略实施和转发的理想选择。此系列KBP通过高性能解决下一代分类需求;并行决策和改进的条目存储功能。最多八个并行操作允许设备达到每秒十亿次决策(BDPS)的决策速度。嵌入式错误纠正电路(ECC)提高了系统的可测试性和运行可靠性。密钥处理单元(KPU)通过灵活的搜索密钥构建实现高效的界面传输。   此KBP无缝连接到Jericho  BCM88670,Arad Plus BCM88660  Arad  BCM88650。  功能 • KBP表宽度可配置80/160/320/480/640位•关联数据的用户数据数组•最多八次并行搜索  •同时多线程(SMT)操作• NetRoute for Longest Prefix  Match(LPM)• NetACL访问控制列表解决方案•用于智能数据库管理的逻辑表•结果缓冲区,用于灵活路由搜索结果• ECC用户数据和数据库阵列•背景ECC扫描数据库条目 应用程序 • IPv4和IPv6数据...
发表于 07-04 10:09 313次 阅读
BCM52311 BCM52311异构知识处理器

BCM3255 单芯片前端DOCSIS®2.0+ IC高清机顶盒(STB)IC

具有集成通道绑定功能的Broadcom BCM3255机顶盒(STB)芯片结合了多个DOCSIS®通道一起显着提高数据速率。  Broadcom的BCM3255芯片支持高达120兆位/秒(Mb / s)的下行数据速率,支持下一代媒体中心一个全IP网络平台。迁移到基于IP的全部语音,视频和数据内容平台有助于降低网络运营成本,同时使网络能够支持快速高清视频下载,高比特率服务以及其他IP语音和视频服务。 />  功能 三个QAM带内解调器 OOB(带外)解调器,用于支持DSV 178和DVS 167 集成产生的物料清单(BOM)节省降低了整体机顶盒成本 北美和国际市场为全球部署提供单一设计  应用程序 IPTV 机顶盒 ...
发表于 07-04 10:02 146次 阅读
BCM3255 单芯片前端DOCSIS®2.0+ IC高清机顶盒(STB)IC

ALM-31222 1.7 - 2.7GHz 1瓦高线性度放大器

Broadcom’ ALM-31222是一款高线性1瓦功率放大器,具有良好的OIP3性能,在1dB增益压缩点具有极佳的PAE,通过使用 博通&rsquo的;专有的0.25um GaAs增强模式pHEMT工艺。特性 完全匹配,输入和输出 高线性度和P1dB 无条件稳定负载条件 内置可调温度补偿内部偏置电路 GaAs E-pHEMT技术[1] 5V电源 产品规格的均匀性非常好 提供卷带包装选项 MSL-3和无铅 基站应用的高MTTF 应用 用于GSM / PCS / W-CDMA / WiMAX基站的A类驱动放大器 通用增益模块...
发表于 07-04 09:57 144次 阅读
ALM-31222 1.7  -  2.7GHz 1瓦高线性度放大器

ALM-32220 1.7 - 2.7GHz 2瓦高线性度放大器

Broadcom’ ALM-32220是一款高线性度2瓦功率放大器,具有良好的OIP3性能和极佳的PAE,1dB增益压缩点,通过使用Broadcom’专有的0.25um GaAs增强模式pHEMT工艺。特性 完全匹配,输入和输出 高线性度和P1dB 在负载条件下无条件稳定 内置可调温度补偿内部偏置电路 GaAs E-pHEMT技术[1] 5V电源 产品规格均匀性极佳 可提供卷带包装选项 MSL-3和无铅 基站应用的高MTTF 应用 用于GSM / PCS / W-的A类驱动放大器CDMA / WiMAX基站 通用增益块...
发表于 07-04 09:54 228次 阅读
ALM-32220 1.7  -  2.7GHz 2瓦高线性度放大器

BCM3252 具有通道绑定的双通道前端DOCSIS®2.0+机顶盒(STB)IC

Broadcom® BCM3252 T IP视频流水线IC为高端机顶盒(STB)提供集成的前端解决方案。   Broadcom的BCM3252为交互式DOCSIS®提供解决方案; 2.0 +,DSG高清AVC机顶盒。 BCM3252包含一个集成的高性能处理器,用于解决DOCSIS 2.0 +,通道绑定重新排序以及TCP / IP,UPnP和IPv6等网络协议的任务。 BCM3252既是DOCSIS-也是EuroDOCSIS™认证。 功能 机顶盒产品的完整前端解决方案 双QAM带内解调器 用于支持DVS-178和DVS-167的带外(OOB)解调器 支持高达80 Mb / s的IP视频数据速率,允许将来转换为全IP网络 应用程序 机顶盒 IPTV  ...
发表于 07-04 09:52 85次 阅读
BCM3252 具有通道绑定的双通道前端DOCSIS®2.0+机顶盒(STB)IC