浅析2021年半导体发展的十大趋势

2020年注定是被历史镌刻的一年，新冠疫情席卷全球，众多行业在停滞重启之后按下了加速键，新技术、新应用不断涌现，5G规模化商用、计算机架构开放、晶圆异构化集成等一系列创新突破纷至沓来。

科技没有边界，创新永无止境。进入崭新的2021年，半导体产业将在何处率先突破？创新趋势将对产业起到何种促进作用？

仰望星空瞭望科技前沿动态，脚踏实地规划发展途径。科技自强从来都不是一句空话，掌握发展大局观才能更好地打好下一战。 经过梳理归纳，整理了2021年半导体行业相关的十大趋势，来一窥未来。

第三代半导体材料大爆发

以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体，具备耐高温、耐高压、高频率、大功率、抗辐射等优异特性，但受工艺、成本等因素限制，多年来仅限于小范围应用。近年来，随着材料生长、器件制备等技术的不断突破，第三代半导体的性价比优势逐渐显现并正在打开应用市场：SiC元件已用于汽车逆变器，GaN快速充电器也大量上市。未来5年，基于第三代半导体材料的电子器件将广泛应用于5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等场景。

Arm架构处理器全面渗透

Arm发布专门针对下一代“始终在线”笔记本电脑的Cortex-A78C CPU，可支持8个“大核”，L3缓存增加到8MB。基于Cortex-A78C的CPU芯片将成为高性能PC市场上x86架构CPU的强有力竞争者，苹果Mac电脑全面采用基于Arm架构的CPU将带动更多Arm阵营芯片设计厂商进军PC市场，包括高通、华为和三星。就连x86阵营的AMD据说也在开发基于Arm的处理器芯片，而亚马逊AWS则在服务器市场驱动Arm架构CPU的增长。在高性能计算（HPC）方面，基于Arm架构的超级计算机“富岳（Fugaku）”赢得全球Top 500超算第一名。

国产替代成发展主线

2020年尽管受新冠疫情及美国打压等不利因素影响，我国半导体产业还是维持了较高的发展增速，预计全年实现收入超过8000亿元，增长率接近20%，进口情况预计也会超过3000亿美元，而设计业则为发展最为快速的环节。保守预计国产替代仍旧是2021年国内半导体产业发展主线，并且会加速在重点产品领域和基础环节的上下游产业链协同攻关。美国对华为的打压将在2021年迎来一段缓和期，预计华为在2021年将能部分恢复和台积电、高通、联发科等国际供应链伙伴在非先进技术和产品层面的合作。在半导体产业不出现大的系统性风险和变化的情况下，国内半导体2021全年实现20%以上增速应该是大概率事件，整体产业规模有望超过万亿元。

芯片全线紧张持续

目前来看产能供给紧张带来的缺货涨价情况已经遍布到行业内很多环节，从代工到封装到设计，都以转嫁成本为由，与客户协商调涨价格。一方面中美关系下一步演进方向还不清晰；另一方面紧缺的8寸产能在短时间内几乎没有大规模扩产的可能，因此2021年至少三季度前都会延续产能紧张的局面。预计全球半导体产能紧张的局面还会延续至2021年，甚至在8寸产能上有可能延续至2022年。

3nm工艺节点差异变大

自7nm工艺开始，台积电和三星Foundry就出现了比较大的路线演进差异。比如，三星7nm（7LPP）更早采用EUV（极紫外光），并将5nm、4nm作为半代工艺；而台积电继7nm本身的演进（N7/N7P/N7+）之后，5nm亦开始重要的工艺迭代。2020年4月份，台积电首次披露3nm工艺（N3）的具体信息。N3是N5工艺之后的又一次正式迭代，预计晶体管密度提升1.7倍（单元级密度在290MTr/mm²左右），相比N5性能提升至多50%，功耗降低至多30%。台积电N3工艺的风险生产计划在2021年，量产于2022年下半年开始。考虑到成熟性、功耗和成本问题，台积电表示N3仍将采用传统的FinFET结构，不过其3nm工艺本身的进步仍有机会采用GAAFET技术。

系统级封装（SiP）成主流

芯片封装技术的发展大致经历了四个阶段：第一阶段是插孔元件（DIP/PGA）；第二阶段是表面贴装（SMT）；第三阶段是面积阵列封装（BGA/CSP）；第四阶段是高密度系统级封装（SiP）。目前，全球半导体封装的主流技术已经进入第四阶段，SiP、PoP和Hybrid等主要封装技术已大规模应用，部分高端封装技术已开始向芯粒（Chiplet）方向发展。SiP封装正在从单面封装向双面封装转移，预计2021年双面封装SiP将会成为主流，到2022年将会出现多层3D SiP产品。

FPGA打造AI加速器

自从上世纪80年代Altera和Xilinx开创可编程逻辑器件类型FPGA以来，FPGA已经经历了几波巨大的变化。除了其本身固有的可编程灵活性外，网络连接和数据交换功能使得FPGA成为云计算和数据中心不可或缺的海量数据处理单元，特别是机器学习/AI、网络加速和计算存储等应用对FPGA有着强劲的需求，比如SmartNIC、搜索引擎加速器、AI推理引擎等。新兴的边缘计算将掀起新的一波FPGA需求热潮，包括5G基站和电信基础设施、边缘端网关和路由器，以及IoT智能终端等。自动驾驶、智能工厂、智慧城市和交通等将驱动FPGA应用进一步的增长和扩展。

PC处理器性能飞跃

PC处理器在持续长达十多年的性能匍匐之后，竟然于摩尔定律放缓之际，出现了性能与效率的大幅提升，这在半导体行业十分难得。即便是这样，直到2020年下半年才姗姗来迟的10nm SuperFin工艺，以及Skylake微架构沿用数年的大背景，让Intel PC处理器性能与效率领先十多年的神话在2020年终结。对消费用户而言，PC处理器则难得出现了持续2-3年的性能推进小高潮，且此趋势预计还将推进1-2年。

碳基技术加速柔性电子发展

碳基材料作为制作柔性设备的核心材料，将走出实验室并制备可随意伸缩弯曲的柔性电子设备，例如用该材料制作的电子皮肤，不仅机械特性与真实皮肤相似，还有外界环境感知功能。柔性电子是指经扭曲、折叠、拉伸等形状变化后仍保持原有性能的电子设备，可用作可穿戴设备、电子皮肤、柔性显示屏等。柔性电子发展的主要瓶颈在于材料——目前的柔性材料，或者“柔性”不足容易失效，或者电性能远不如“硬质”硅基电子。近年来，碳基材料的技术突破为柔性电子提供了更好的材料选择：碳纳米管这一碳基柔性材料的质量已可满足大规模集成电路的制备要求，且在此材料上制备的电路性能超过同尺寸下的硅基电路；而另一碳基柔性材料石墨烯的大面积制备也已实现。

数据处理实现“自治与自我进化”

随着云计算的发展、数据规模持续指数级增长，传统数据处理面临存储成本高、集群管理复杂、计算任务多样性等巨大挑战；面对海量暴增的数据规模以及复杂多元的处理场景，人工管理和系统调优捉襟见肘。因此，通过智能化方法实现数据管理系统的自动优化成为未来数据处理发展的必然选择。人工智能和机器学习手段逐渐被广泛应用于智能化的冷热数据分层、异常检测、智能建模、资源调动、参数调优、压测生成、索引推荐等领域，有效降低数据计算、处理、存储、运维的管理成本，实现数据管理系统的“自治与自我进化”。
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