“断芯”之痛再被放大,还有哪些芯片核心技术需要我们去突破?
六、MPU
MPU又叫微处理器或内存保护单元。MPU是单一的一颗芯片,而芯片组则由一组芯片所构成,早期甚至多达八颗,但目前大多合并成两颗,一般称作北桥芯片和南桥芯片。MPU是计算机的计算、判断或控制中心,是构成微机的核心部件,也可以说是微机的心脏,它起到控制整个微型计算机工作的作用,产生控制信号对相应的部件进行控制,并执行相应的操作。在微机中,CPU被集成在一片超大规模集成电路芯片上,称为MPU,微处理器插在主板的中央处理器的插槽中。
英特尔、高通、三星、飞思卡尔、联发科及展讯等供应商是这个市场的领导者,据相关数据统计,2018年销售的MPU中,超过一半的的增长来自于应用在普通计算机、服务器和大型电脑中的处理器,少部分来自于嵌入式应用,有超过一半的销售是来自英特尔和AMD厂商,其余市场也基本被欧洲企业占据。国产的MPU市场占有率非常小,几乎为零,好消息是,国内的华大、华为、紫光国芯等企业正在加大研发相关技术。
七、DRAM/NAND Flash芯片
即动态随机存取存储器,最为常见的系统内存。DRAM 只能将数据保持很短的时间。为了保持数据,DRAM使用电容存储,所以必须隔一段时间刷新一次,如果存储单元没有被刷新,存储的信息就会丢失。
目前,在DRAM/NAND Flash芯片市场上,英特尔、德州仪器、IBM、韩国三星和海力士占据绝对垄断地位。国内的长江存储、合肥长鑫、福建晋华是中国存储领域的三大新势力,2019年会是中国存储产业的关键年,届时有福建晋华、合肥睿力的 DRAM 技术量产,更有长江存储转进 64 层 3D NAND 的研发和生产。未来两年将有可能左右未来十年中国存储产业的命运。
八、CPLD/FPGA
CPLD是从PAL和GAL器件发展出来的器件,相对而言规模大,结构复杂,属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台,用原理图、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,通过下载电缆将代码传送到目标芯片中,实现设计的数字系统。FPGA即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
进入FPGA这个行业的门槛很高。过去十多年时间里,Intel、IBM、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星等60多家公司曾试图涉足该领域,除Intel以167亿美元收购阿尔特拉成功进军该领域之外,其余公司纷纷折戟沉沙。目前的FPGA市场, Xilinx和Altera两家公司占据了90%的市场份额。
除了市场份额低之外,国内厂商在技术水平上和国外大厂的差距很大。虽然国内FPGA厂商有百家争鸣之势,但基本分布在中低端市场,大多是一些1000万门级左右的FPGA,少数达到2000万门级的FPGA虽然也有自主研发的。中国电科的3500万门级FPGA和中国电子7000万门级FPGA,是一次重大技术突破。
九、半导体材料
俗话说,“巧妇难为无米之炊”,作为制造半导体集成电路的基础,半导体材料可谓是整个制程中做关键的一环。在生产半导体芯片的材料需要二十多种,其中包括晶圆、靶材料、保护涂膜、 TAB、 焊线和封装材料等,在这块市场上,美国和日本占据了大部分的市场份额。据OFweek电子工程网编辑统计,全球十大半导体材料厂商排行,美日欧占比高达90%左右,中国仅有少数几家能生产符合市场要求的半导体材料。
制造半导体器件对半导体材料有不同的形态要求,包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等,半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。以硅晶圆的制造为例,人们常说几寸晶圆厂,代表这硅晶圆直径越大,这座晶圆厂技术越好,目前市场上主流的12寸晶圆,基本是由那些TOP5企业提供。英特尔高层曾对笔者表示,全球能生产符合市场要求的晶圆片企业不超过十家,到了下一代18英寸晶圆片生产标准后,建造晶圆片厂成本会提高很多,投资可能超过百亿。为何晶圆技术很难突破,因为在一般情况下,晶圆体积的增加,会导致生产工艺的一致性降低,这样会增加制造成本。还有一个重要的技术,就是生产晶圆设备的先进性对良率影响很大,而国内的企业几乎是进口晶圆生产设备,这对于他们非常被动,容易被“卡脖子”。
十、顶尖光刻机
最后一个就是光刻机了,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(也叫极紫外光)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五万多个零件,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。
总结:
中国拥有全球最大的半导体消费市场,因核心技术缺少,中国对美国的半导体进口额超过1000亿美元,排名世界第一。中国是芯片的消耗和进口大国,2017年集成电路进口金额2601亿美元,金额位列中国进口商品之冠。不管美国如何阻拦,不可否认的是,芯片的“国产化”是未来的一大趋势,这些国内未解决的半导体核心技术均是世界级难题,其难度不亚于造“航空母舰”。
尽管中美贸易战对芯片自主研发影响很大,也会在短期冲击很多企业的利益,但对于企业和技术人员来说,沉下心去做事方能寻求突破和发展,切勿急于求成,被市场蒙蔽了双眼,得不偿失。
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