我國在半導體領域尚未掌握的十大核心技術

首頁新聞趨勢我國在半導體領域尚未掌握的十大核心技術

我國在半導體領域尚未掌握的十大核心技術

2022-03-17 554

半導體產業具有典型的「金字塔」結構。上游環節越多，企業數量越少，產值越大，技術難度越高。由於起步較晚、缺乏核心技術、人才短缺，我國半導體發展受到極大限制。由於未能掌握核心技術，常被其他國家阻礙。目前，關鍵晶片領域仍依賴進口。

2018年的中興事件我們至今記憶猶新！不久前，美國憑藉其掌握的核心半導體技術和設備，升級了對華為的製裁，企圖限制華為和我國在高科技領域的發展！

美國舉起「技術」長矛，刺穿了我國「核心技術短缺」的弱點。這在為我國半導體產業敲響警鐘的同時，也讓許多人和許多公司意識到，依賴美國科技是不可靠的。只有掌握核心技術，擺脫技術依賴，才是正確的道路！

目前，我國已將半導體產業發展提升到戰略高度，將半導體產業列為國家重點發展產業，投入大量資金和人才以期取得技術突破，力爭早日走上自主研發、自給自足的道路。目前亟待突破的核心技術領域包括以下幾個面向。

高階光刻機

作為積體電路產業的核心設備，光刻機被譽為「人類最精密複雜的機器」。目前，全球唯一一家能夠生產高階光刻機的公司是荷蘭的ASML，而日本的尼康和佳能則生產中低階光刻機，它們的市佔率超過80%。

光刻系統是晶片製造的核心。光刻是半導體晶片生產過程中最複雜、最關鍵的製程步驟，耗時耗力。半導體晶片生產的困難和關鍵在於將電路圖從掩模轉移到矽片上，而這個過程正是透過光刻實現的。光刻製程的水平直接決定了晶片的製程等級和性能等級。

高階光刻機堪稱現代光學產業的瑰寶，製造難度極高。目前，ASML最先進的EUV極紫外光刻機能夠生產5nm製程的晶片，單一價格已超過100億美元。而中國自主研發的光刻機目前只能達到90nm工藝，差距龐大。

開發光刻機的困難是什麼？光刻機涉及系統整合、精密光學、精密運動、精密材料輸送、高精度微環境控制等許多先進技術，是所有半導體製造設備中技術最先進的設備。為了讓ASML在整機各個零件上都採用世界領先的技術，ASML光刻機超過90%的零件都來自外部採購。 ASML在技術研發方面匯集了世界最前沿的技術，例如德國的機械技術、德國頂級的蔡司鏡頭、美國的光源和測量設備等等。可以說，ASML的高階光刻機是「人類智慧的結晶」。

國際頂級製造商：ASML（荷蘭）

中國製造商：SMEE上海微電子

中央處理器

中央處理器（CPU）是一種超大規模積體電路，是電腦的運算核心和控制核心。它的主要功能是解釋電腦指令並處理電腦軟體中的數據。中央處理器主要包括算術單元（算術邏輯運算單元）和高速緩存，以及實現它們之間連接的資料匯流排、控制匯流排和狀態匯流排。它與內部記憶體和輸入/輸出設備一起，構成了電子計算機的三大核心組件。 CPU 依賴來自計算和控制系統的指令。每個 CPU 都設計有一系列與其硬體電路相符的指令集。指令集的強度也是衡量 CPU 效能的重要指標之一。指令集是提高微處理器效率最有效的工具之一。

美國的英特爾和AMD幾乎佔據了全球PC市場的全部份額。國產CPU的應用領域不僅涵蓋嵌入式設備和伺服器等專業領域，也包括消費級民用市場。由於服務目標和應用領域的巨大差異，不同類型的國產CPU在中國消費者心中有著不同的認知度。例如，專門面向伺服器市場的飛騰和神威，在中國並不為人所知。

CPU發展日新月異，主頻、運算能力和功耗是衡量其效能的重要指標。作為後起之秀，中國的研發水準始終與世界先進水準有較大差距。例如，龍神CPU的性能似乎總是落後於英特爾。龍神CPU是由中國科學院計算技術研究所自主研發的通用CPU，採用類似MIPS指令集的RISC指令集。然而，龍神CPU的成功研發助力復興高鐵實現了100%國產化，使得第四代殲-20相控陣雷達和北斗衛星得以搭載國產CPU核心。

在行動CPU領域，高通的地位依然穩固。華為海思的麒麟CPU性能也相當不錯，儘管它背後是英國巨頭ARM的強大支援。紫光展銳在行動CPU晶片領域也取得了一些成就。但令人擔憂的是，美國近期加強了對華為的製裁力度，試圖限制華為在半導體晶片領域的發展。麒麟CPU的未來仍充滿未知。

國際頂級製造商：英特爾（美國）、AMD（美國）

中國製造商：華為海思、紫光展銳、龍芯中科（龍芯CPU）、天津飛騰（飛騰CPU）、上海兆芯（兆芯CPU）等

EDA晶片設計軟體

目前全球有三大積體電路EDA軟體公司，分別是Mentor Graphics、Cadence和Synopsys。這三家美國公司在EDA產業的市佔率幾乎已形成壟斷。目前，能夠覆蓋晶片設計和生產全流程的EDA供應商只有Cadence和Synopsys。

英特爾、蘋果和高通等主要晶片生產和設計廠商都需要從這兩家公司購買EDA軟體及相關服務。中國頂尖的晶片設計公司華為、海思、長江儲存和紫光展銳也都從這兩家美國公司購買EDA設計軟體。

國內EDA廠商如華大九天、新及科技、廣利微電子等，只能提供部分EDA設計工具，無法提供涵蓋IC設計、佈線、驗證及模擬等全產業鏈的EDA工具。此外，國內EDA軟體與先進技術的結合並不理想，對採用先進技術的晶片支援不足。因此，國內EDA企業的技術能力遠不足以與國際頂尖EDA企業競爭。

國際頂級製造商：Mentor Graphics（美國）、Cadence（美國）、Synopsys（美國）

中國製造商：華大九天、信合科技、光利微等

DRAM/NAND快閃記憶體

DRAM是動態隨機存取記憶體，是目前最常用的系統記憶體。美國的Micron、韓國的Samsung和SK Hynix佔據絕對壟斷地位，主導DRAM市場。

中國三大記憶體晶片企業——長江儲存、合肥長信、兆芯——已開始佈局並投入記憶體晶片的生產，可望打破韓國、美國和日本對記憶體晶片的壟斷。

長江儲存今年實現了基於Xtacking架構的64層3D NAND快閃記憶體的量產。隨後，他們直接跳過了業界常見的96層，成功研發出128層3D NAND快閃記憶體。

合肥長鑫於 2019 年實現了採用 19nm 製程的 8G DDR4 記憶體的量產，並將於今年正式將自主研發的廣維易 PRO DDR4 記憶體商業化並推向消費市場。

技嘉半導體在國內NOR快閃記憶體市佔率排名第一，也是全球三大NOR快閃記憶體供應商之一。目前，該公司正逐步拓展NAND快閃記憶體業務，並積極佈置DRAM業務。

在需要突破的核心半導體技術中，DRAM 最有可能實現在地化量產，值得期待。

國際頂級製造商：美光（美國）、三星（韓國）、SK海力士（韓國）等。

中國製造商：長江儲存、合肥長鑫、兆易創新

超高頻射頻晶片

射頻晶片是一種電子元件，它將無線電訊號通訊轉換成特定的無線電訊號波形，並透過天線諧振將其發送出去。射頻晶片架構包含兩部分：接收頻道和發射頻道。對於現有的GSM和TD-SCDMA模式，如果終端支援新的頻段，其射頻晶片會相應地增加一個接收通道；但是否需要新的發射通道則取決於新頻段與原頻段之間的關係。

中國是全球最大的手機生產國，但卻無法生產高階手機射頻元件。這需要紮實的材料、工藝和設計經驗累積。國內有很多企業從事低階和中端射頻晶片的生產，也佔據了相當大的市場。然而，在高階射頻晶片領域，仍有很大的成長空間。

國際頂級製造商：Skyworks（美國）、Qorvo Verizon（美國）等。

中國製造商：紫光展銳、偉傑創新、中普微等

可程式邏輯元件/現場可程式閘陣列

CPLD是在PAL和GAL裝置的基礎上發展而來的裝置。它規模相對較大，結構較為複雜，屬於大規模積體電路的範疇。 CPLD是一種數位積體電路，可讓使用者根據自身需求建立邏輯功能。其基本設計方法是利用整合開發軟體平台，透過原理圖、硬體描述語言等方式產生對應的目標文件，然後透過下載線將程式碼傳輸到目標晶片（「在系統中」編程），從而實現所設計的數位系統。

FPGA（現場可程式閘陣列）是基於PAL、GAL和CPLD等可程式裝置的進一步發展產品。它作為一種半定制電路出現在專用集成電路（ASIC）領域，不僅解決了定制電路的缺點，還克服了原始可編程元件閘數有限的缺點。

FPGA產業的進入門檻很高。過去十年左右，包括英特爾、IBM、摩托羅拉、飛利浦、東芝和三星在內的60多家公司都曾試圖涉足這一領域。除了英特爾以16.7億美元收購Altera成功進入該領域外，其他公司都以失敗告終。目前FPGA市場巨頭均位於美國，例如賽靈思（Xilinx）、Altera、萊迪思（Lattice）、Actel、Atmel、Avago、賽普拉斯（Cypress）等，每家公司都有其獨特的「秘密武器」。其中，賽靈思是全球FPGA領域的領導者，在門數千萬級和16奈米過程方面均處於領先地位；Actel是反熔絲技術的先驅和航空航天級產品的先驅。其他公司的產品則是工業級、軍用級和航空航天級產品不可或缺的核心晶片。它們也是全球從事尖端技術研發的國家所面臨的不足和主要痛點。其中，賽靈思和阿爾特拉兩家公司佔了90%的市場。國內廠商與國外廠商在技術水準上存在巨大差距。儘管國內有數百家FPGA廠商參與競爭，但它們基本上分佈在中低階市場。大多數FPGA的閘級約為10萬。雖然也有少數自主研發的20萬門級FPGA，但中國電子科技集團的35萬門級FPGA和中國電子科技集團的70萬門級FPGA是一項重大的技術突破。

同創持續引領中國FPGA產業發展。繼實現國內首款千萬門FPGA產品量產出貨後，同創加快研發步伐，陸續補充並完善了所有3000萬門以下的中低端產品型號。其中，Logos和Compact系列產品已實現量產。 Logos2和Titan2系列產品將於今年全面量產，能夠滿足國內所有中低端應用的需求，市場份額約佔60%，基本上能夠滿足中國電子資訊產業的穩定發展需求。

主要國外製造商：Xilinx（美國）、Altera（美國）等。

中國製造商：深圳紫光展銳、上海復旦微電子、北京微電子等。

DSP芯片

DSP晶片是指能夠實現數位訊號處理技術的晶片。 DSP晶片內部採用哈佛結構，將程式和資料分開。它擁有專用的硬體乘法器，廣泛應用管線操作，並提供特殊的DSP指令，可用於快速實現各種數位訊號處理演算法。

數位訊號處理（DSP）晶片自誕生以來發展迅速。一方面，它們受益於積體電路的發展；另一方面，它們也受益於龐大的市場需求。短短二十年間，DSP晶片已廣泛應用於訊號處理、通訊、雷達、成像、軍事、儀器、自動化等眾多領域。

目前，全球DSP晶片市場仍被幾家巨擘企業壟斷。德州儀器、ADI、飛思卡爾、摩托羅拉等都是業界的領導者。國產DSP晶片起步較晚。 2006年，中國電力科學研究院第十四研究院與龍芯電子股份有限公司合作研發國產DSP晶片。他們於2012年研發的「華銳一號」性能優於飛思卡爾的MPC8640D。 2017年，國產DSP晶片「華銳二號」上市。

主要國外製造商：TI（德州儀器，美國）、ADI（亞德諾半導體，美國）等。

中國製造商：中電14、中電38、湖南金鑫電子、北京中興微電子等

GPU

顯示核心，又稱視覺處理器、顯示晶片，是一種專門用於個人電腦、工作站、遊戲機以及部分行動裝置（如平板電腦、智慧型手機等）影像計算的微處理器。其作用是轉換並驅動電腦系統所需的顯示訊息，向顯示器提供掃描訊號，並控制顯示器的正確顯示。它是連接顯示器和個人電腦主機板的重要組件，也是實現「人機對話」的重要設備之一。

提到GPU，人們首先想到的就是NVIDIA，它佔據了全球GPU市場一半以上的份額，AMD的GPU也佔有一席之地。國內GPU企業尚未形成大規模生產，相關技術也正積極研發。目前，國內從事GPU研發的企業包括上海兆芯、華為、Vivante、天書智信、華夏晶片、CoreView、中國船舶重工集團公司709研究所、中航工業集團公司631研究所等。根據OFweek電子工程網編輯介紹，中國船舶重工集團公司自主研發的凌久GP101晶片，填補了國內顯示卡領域的空白。凌久GP101是一款高效能、低功耗的圖形處理晶片，但與歐美等先進廠商相比，仍有很長的路要走，距離世界領先水平還有很長的路要走。

主要國外製造商：Imagination（英國）、高通（美國）、英偉達（美國）、AMD（美國）等。

中國製造商：景嘉圍、上海兆信

主控板

MPU 也被稱為微處理器或記憶體保護單元。 MPU 是單一晶片，而晶片組則由一組晶片組成。早期晶片組甚至包含多達 7 或 8 個晶片，但現在大多數晶片都整合在兩個晶片中，通常稱為北橋晶片和南橋晶片。 MPU 是電腦的計算、判斷或控制中心，有些人稱之為「電腦的心臟」。

英特爾、高通、三星、飛思卡爾、聯發科和展訊等供應商是該市場的領導者。國內微處理器市佔率非常小，幾乎為零，而華大基因、華為和紫光展銳等公司正在加大相關技術的研發投入。

主要國外製造商：英特爾（英國）、高通（美國）、飛思卡爾（美國）等。

中國製造商：紫光展銳、聯發科

半導體原料

半導體製造材料主要包括矽片、電子氣體、光罩、光阻輔助化學品、拋光材料、光阻、濕化學品和濺鍍靶材。

全球半導體材料產業仍由日本、美國、韓國、德國等國絕對主導。中國半導體材料在靶材、封裝基板、拋光液、光阻等產品細分領域取得了重大突破，部分產品的技術標準已達到世界一流水平，但整體水平與國際一流水平仍有較大差距。

免責聲明：本文轉載自「IoT IQ」。本文僅代表作者個人觀點，不代表Sacco Micro及業界立場。僅供轉載分享，支持智慧財產權保護。轉載請註明原出處及作者。如有侵權，請聯絡我們刪除。

通往「搭上碳化矽巴士」之路

即將爆炸？汽車無線充電效率高達97%，碳化矽至關重要！