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中国尚未完全掌握的十大半导体核心技术

导读: 半导体对于我们的重要性不言而喻,它涉及方方面面,通讯、计算机、消费电子、汽车、工控、照明、医疗等行业分分钟离不开它。

半导体对于我们的重要性不言而喻,它涉及方方面面,通讯、计算机、消费电子、汽车、工控、照明、医疗等行业分分钟离不开它。近年来,随着全球AI、物联网、云计算等发展,半导体行业迎来了更大的爆发,据相关数据统计,2017年全球整体半导体市场规模达4,203.93亿美元,较2016年3,458.51亿美元,大幅成长21.6%。

中国尚未完全掌握的十大半导体核心技术

半导体行业是典型的“金字塔”结构,越上游的企业越少,产值越大,技术难度越高。由于起步晚、核心技术缺少,我国半导体发展受限,尤其是核心技术方面,仍有尚未掌握的关键技术,到目前为止,关键芯片领域依赖于进口仍是现状。正因如此,我国将半导体列为国家重点规划产业,并在资金、人才、技术上下苦功,力争突破瓶颈,振兴国产半导体产业。

这些半导体核心技术仍待突破

中国尚未完全掌握的十大半导体核心技术

1、顶尖光刻机

作为集成电路产业的核心装备,光刻机被称为“人类最精密复杂的机器”。据OFweek电子工程网编辑了解,当前全球能制造高端光刻机的只有荷兰的ASML、日本的尼康和佳能三大企业,它们市场份额超过八成。

光刻机又名掩模对准曝光机,曝光系统,光刻系统,它是芯片制造核心中的核心,光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤,耗时长、成本高。半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上,这一过程通过光刻来实现,光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。

高端光刻机堪称现代光学工业之花,其制造难度非常大,现在其最先进的EUV(极紫外光)光刻机已经能够制造7nm以下制程的芯片了,单台光刻机的售价已经超过了一亿美元,中国完全自主生产的光刻机只有可怜的90nm制程,差了一大截。光刻机的研制到底难在哪?并非光刻机技术原理难懂,而是光刻机的制造工艺复杂。一台先进的光刻机有5万多个零件,设计生产不容易,难点是里面的每一步都要求最先进的工艺和零件。

2、触觉传感器

传感器被称为工业的艺术品,它与计算机、通信被称为信息系统的三大支柱,传感器技术优劣是衡量一个国家科技水平和是否处在国际战略竞争制高点的重要标志,是发达国家高度重视和争相发展的核心基础技术。触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。按功能可分为接触觉传感器、力-力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。

我国触觉触感器发展缓慢的原因之一是工艺不过关,精确、稳定的严苛要求拦住了我国大部分企业向触觉传感器迈进的步伐。除了生产工艺,材料纯度也是从实验室到工业生产的“扼咽之处”。导电橡胶、导电塑料、碳纳米管、石墨烯等都是可用作触觉传感器的材料。目前,国内石墨烯的生产还可以,但用石墨烯制作传感器的技术还不成熟。由于国内触觉传感器起步晚,专利问题是绕不过了!在技术追赶过程中,后来者必须绕过先行者的相关专利保护,除非找到明显更优解,否则很可能会因为绕过专利而提高技术达成的门槛,这些对于触觉触感器的国产化而言都是难关。

未来,触觉传感器将朝向更加柔性化、小型化、智能化、人性化方向发展,触觉传感器的适用范围将大大拓宽,在人机交互系统、智能机器人、移动医疗等领域具有巨大的应用前景。

3、DSP芯片

DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP指令,可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。

DSP芯片自诞生以来得到了飞速发展,一方面得益于集成电路的发展,另一方面也得益于巨大的市场。在短短二十年时间里,DSP芯片已在信号处理、通信、雷达、图像、军事、仪器、自动化等众多领域得到广泛的应用。

目前,全球DSP芯片市场仍是巨头垄断,德州仪器、ADI、飞思卡尔、Motorola公司等都是这个行业的佼佼者。国产DSP芯片起步晚, 2006年中电十四所与龙芯公司合作开发国产DSP芯片。2012年它们研发的 “华睿1号”性能优于飞思卡尔公司的MPC8640D,2017年,国产DSP芯片“华睿二号”走向市场。

4、CPU

CPU是一块超大规模的集成电路,是一台计算机的运算核心(Core)和控制核心( Control Unit)。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。中央处理器主要包括运算器(算术逻辑运算单元,ALU,Arithmetic Logic Unit)和高速缓冲存储器(Cache)及实现它们之间联系的数据(Data)、控制及状态的总线(Bus)。它与内部存储器(Memory)和输入/输出(I/O)设备合称为电子计算机三大核心部件。CPU依靠指令来自计算和控制系统,每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标,指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。

美国的英特尔、超威半导体公司,在CPU领域占据一半以上的市场。国产CPU的应用领域既涵盖了嵌入式设备、服务器设备等专业领域,也同时面对消费级民用市场。由于服务对象和应用领域的巨大分歧,不同类型的国产CPU在国人心中存在感相去甚远,如专门针对服务器的飞腾、申威等,知名度不高。

CPU发展迅速,算力和功耗是衡量其性能的重要指标。作为后来者,中国的研制水平总是离世界先进水准差一截,如龙芯的性能似乎总跟着英特尔后面跑,龙芯是中国科学院计算所自主研发的通用CPU,采用RISC指令集,类似于MIPS指令集。好消息是,2015年,中国发射首枚使用“龙芯”北斗卫星。

5、GPU

又称显示核心、视觉处理器、显示芯片,是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上图像运算工作的微处理器。用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动,并向显示器提供行扫描信号,控制显示器的正确显示,是连接显示器和个人电脑主板的重要元件,也是“人机对话”的重要设备之一。

提到GPU,最先想到的是英伟达,它占据全球GPU市场一半以上的市场份额,AMD的GPU也占有一席之地。中国的GPU企业尚未形成巨大规模,相关技术也在积极研制之中,目前国内在研究GPU的企业有上海兆芯、华为、图芯、天数智芯,华夏芯、芯视图、中船重工709所、中航631所等。据OFweek电子工程网编辑获悉,中国船舶重工集团公司研究的完全具备自主知识产权的凌久GP101,刷新了我国在国产显卡领域的空白,凌久GP101是一款高性能低功耗的,图形处理芯片,要和欧美等先进厂商相比,还有很大的距离,它要达到世界领先水平,还有漫长的路要走。

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