王阳元院士谈中国集成电路的发展_风闻
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。2021-06-29 08:37
源：文章转载自《科技导报》，作者：王阳元，谢谢。日前，一条#院士说不解决卡脖子问题死不瞑目#的话题冲上热搜榜单，网友纷纷在话题下留言致敬伟大的科学家，这位引发网友热议的院士就是微纳电子学家王阳元。
对于如何推进中国集成电路产业发展，王阳元院士在《科技导报》第3期发表的《掌握规律，创新驱动，扎实推进中国集成电路产业发展》给出了他的见解，论文论述了总结了集成电路投资、技术和市场的发展规律，分析了中国集成电路产业的现状、产业能力和产业短板，给出了今后集成电路基础研究和生产技术的发展方向。
以下内容节选自本文第一部分“集成电路产业的规律性研究”。
当前，中国集成电路产业的发展正处于机遇与挑战既同在又都有新变化的历史时期，如何抓住机遇、应对挑战，首先要清晰地认识集成电路科学、技术和产业的发展规律，才能有效地利用和配置人、财、物等各种资源，使其产生最大价值，在满足市场需求和国际竞争的博弈中沿着正确的道路高速发展。
世间万物发展皆有规律，循规者兴，罔规者怠，违规者诫，逆规者亡。社会发展与技术进步，莫不如是。
对未知事物需要探寻或预测其规律，对已知事物需要总结并践行其规律。
1958年发明的集成电路，迄今已逾甲子。在这60余年的发展轨迹中，集成电路技术及其产业显现出如下特点和发展规律。
集成电路产业具有战略性和市场性的特征
当今世界正处于“百年未有之大变局”时代，在重塑信息时代的世界格局中，集成电路扮演了举足轻重的角色。
关键的、核心的集成电路可以成就一个新兴企业乃至一个产业，也可以让这个企业或产业的前进脚步突然停止。华为的“麒麟”和相关5G产品与美国的较量即是一例。
两弹的战略性表现于“有限需求”，其“市场”应用的可能性甚微；而集成电路的战略性恰恰表现于“市场”，即产品生态链建设的深度与广度。
集成电路的生态链越深（即电子信息产品对其他产业的影响深度，系统软件和应用软件的开发深度）、越广（即涉及生产与生活的广度，使用信息产品人群的广度），其战略性的表现也愈加凸显。
集成电路的市场性源于两个方面，一是人们对信息产品不断增长的需求，二是其生产规模。
一条300 mm晶片生产线的集成电路年产量为109~1010数量级，2019年，中国共生产集成电路2.018×1011个，进口4.451×1011个，而当今世界核武器大国存储的核武器数量仅为103数量级。
如果没有庞大的市场需求和市场消化，1010数量级的集成电路产品无法维持集成电路生产线的正常运转。
就生产链而言，同具有战略性的核武器与集成电路均是各种材料在各种设备上通过不同工艺制造形成的集合，但核武器的研发与制造是不需要通过市场交易的、独立自主的封闭形态；而集成电路生产链则表现为开放的特征，即上千种材料和上百台套的设备只能实现部分自主供给，其余部分需要通过市场交换完成。
在市场交换的过程中，任何一种材料、一种设备都可能成为制约竞争者的手段，如日本的氟聚酰亚胺、氟化氢、光刻胶“断供”韩国，荷兰阿斯麦尔公司（ASML）的极紫外（EUV）曝光机不能获得出口中国的许可，台积电的工艺不能为华为代工等。
也就是说，集成电路生产链中也存在着无数具有战略性特征的环节，而集成电路产品又是无数信息产品中战略性特征的核心。
对于“要不来”“买不来”“讨不来”的关键核心技术，必须凭借举国体制的优势来攻坚克难，努力培育战略科技力量和战略储备能力；对于集成电路生产线所需的一般性材料和设备，正如习近平总书记于2020年9月11日在科学家座谈会上的讲话所说：“我们要更加主动地融入全球创新网络，在开放合作中提升自身科技创新能力。越是面临封锁打压，越不能搞自我封闭、自我隔绝，而是要实施更加开放包容、互惠共享的国际科技合作战略。”
集成电路投资具有密集性和持续性的特征
集成电路产业投资的特点是投资巨大、投资连续和长期回报。因此，集成电路生产线建设一定不能遍地开花。
投资强度高且日趋集中
以Intel、三星和台积电近年来的资本支出为例，2017年起，3个企业每年资本支出均超过100亿美元，其中三星电子的资本支出更是超过200亿美元，相当于组建一个包括航母（含舰载机）、巡洋舰、驱逐舰与核潜艇组成的中型航母战斗群的造价（150亿~200亿美元）。
这种高强度投资导致了行业日趋集中于少数企业，形成了“大者恒大、强者恒强”的局面。
2002—2003年，采用130 nm工艺的企业有26家；2016年，采用16/14 nm工艺加工的集成电路企业锐减为7家，其中包括中国的中芯国际和华虹；到2018年，具有10 nm加工能力的企业只剩下三星、台积电和Intel这3家。
根据Intel资料补充整理
因此，这种进入门槛极高的产业，尤其是集成电路生产线的建设，一定要在政策的指导下以及政府的规划与牵头下进行投资，低水平的重复建设只会造成资源的浪费。
世界排名前5的半导体企业，其资本支出之和占全部半导体企业资本支出的比例一直呈增长趋势。
20世纪90年代中期，该比例为25%；2010年，该比例超过50%；2012年以后，该比例超过60%，并向70%的方向发展。
来源：IC Insights
其启示是，发展集成电路产业一定要将有限的资源集中使用，才能充分产生可期望的效益，一定要有统筹全局的规划和调控举措，坚决避免无视投资规律、仅凭主观愿望就匆匆“上马”不切实际的建设项目的状况，从而避免“村村点火，户户冒烟”的“小而散”现象，甚至“烂尾工程”的出现。
投资要有持续增长的能力
1）建设新生产线
集成电路产业的投资不是“一锤子买卖”，不是一次投资就可以成为表现“工作业绩”的资本，更不是急于求得高额回报的短期商业行为。
决不能在技术、产品、市场、人才及设备均不成熟的条件下，就审批项目、开工建厂。
对于台积电这样的代工厂（foundry）而言，其主要投资用于建设生产线和进行工艺开发；对于Intel和三星这样的“集成器件制造商”（IDM）而言，除建设工厂和开发工艺外，其部分投资还用于产品设计和产品开发。
随着集成电路工艺水平的不断提高，自20世纪70年代至今，集成电路生产线建设的投资逐年增加。
2012年，建设一条300 mm硅片、32 nm工艺、月产35000片晶片的生产线，其工艺加工设备费用为30亿美元，工艺检测及晶片传输设备费用为2.2亿美元，超纯水、特种气体、电力及空气净化设施费用为2.4亿美元，2.2万m2厂房（不含土地费用）建设费用为0.4亿美元（仅占总投资1.1%），合计35亿美元。
2017年，建一条7 nm工艺的生产线费用达到了54亿美元；2022年，建一条5~3 nm工艺生产线的费用预计将高达200~250亿美元。
2）开发新工艺
厂房建成，设备就位，不等于生产线能够正常运转，还必须要在生产线上开发适应生产线运行并保证产品一定成品率的工艺。
如果每道工艺的成品率为99%，则经过N道工艺后，产品成品率就仅有0.99n。假设N=50，则最终成品率仅为60%，仍然达不到企业运转进入良性循环的要求。
为此，要对每道工序进行反复试验和调校，直至得到最佳工艺参数。这一过程需要投入大量人力和物力，是研发工艺必要的投资和成本。
当某个技术节点的工艺达到成熟并可进行量产时，工艺研发人员又需开发下一技术节点的工艺，否则，既不能满足市场需求，又有可能被竞争对手超越。
180 nm工艺的研发费用为1.39亿美元；28 nm工艺的研发费用增长5.7倍，至7.96亿美元；而14 nm工艺的研发费用进一步上升，达到24.96亿美元。
这就是集成电路产业需要持续投资的原因所在。
3）开发新产品
集成电路生产链大致可以分为3个环节：设计、制造和封装。
除包含了全部生产环节的IDM企业外，在企业形态上还有独立的无生产线的设计企业（Fabless）、仅提供代工生产的代工企业和仅进行封装的封装企业。
无论是IDM还是Fabless，都需要对产品设计投入必要的研发资金。随着工艺技术的进步，相应的产品设计成本也在逐年增加。
适合65 nm工艺的主流产品设计成本为0.29亿美元；28 nm产品的设计成本涨至0.7亿美元；当加工工艺达到20 nm时，每个芯片上所集成的晶体管数以亿计，其设计复杂度随之增加，设计成本也达到2.3亿美元。
根据International Business Strategies（IBS）数据整理
当今，7 nm工艺的产品已实现量产，其设计成本达到4.46亿美元，其中电子设计自动化（EDA）软件成本约占45%，预计5 nm集成电路产品的设计成本约为6.2亿美元，3 nm工艺GPU的设计成本将超过15亿美元。
集成电路市场具有延展性和波动性的特征
无所不在的应用市场
集成电路最初的市场是政府和军方，20世纪70年代起，企业成为集成电路应用的主力。
21世纪初，各种电子信息产品的出现，使得个人消费群体成为构筑集成电路市场的主流。
由于集成电路可以集信息获取、存储、处理、传输和执行功能于一身，其应用范围已经渗透到当今社会的每一个角落，正在迅速地改变着人类的生产和生活方式。
北斗卫星可以精确地授时和导航，高铁的建成迅速缩短城际间的距离，从青海发射的导弹经过近3000 km的飞行可以准确击中位于南海的靶标，无人驾驶汽车在不远的将来将行驶于大街小巷，数字货币替代现金已经在中国成为主要的支付手段，在手机上出示健康码成为疫情期间出入公共场所的必要条件，网红可以“直播带货”，某些总统也喜好“推特治国”。
不断增长的系统需求是集成电路市场持续延展的强劲动力。
周期性波动的集成电路市场
自1981年IBM的个人计算机（PC）问世后，催生了个人电脑的市场，集成电路市场也随之逐步扩大，但PC尚未进入普通家庭，能够使用电脑的人群还属小众，集成电路市场总额在1000亿美元以内。
自20世纪90年代中期个人电子信息产品（例如，彩电、录音机、数码相机、寻呼机、移动电话等）的逐渐普及后，集成电路市场随之逐渐突破了2000亿美元。
其后，随着移动网络和智能手机的进一步普及，从2017年起，世界半导体市场总额（集成电路市场约占半导体市场的85%）达到了4000亿美元以上。
在2020年12月初，世界半导体贸易统计组织（WSTS）预测，2020年世界半导体市场为4331.45亿美元。
世界集成电路市场的增长率一直呈周期性的波动状态，表现为每10年左右的增长率大致呈现“M”型态势，在两个峰值（峰值大小的绝对值不尽相同，出现的时间也有前有后）之间有一个低谷存在。
低谷出现的原因有：宏观经济的影响，如地区性或全球性的经济危机和经济衰退；部分电子信息系统产品的需求饱和，半导体产品销售随之萎缩；低迷时期生产厂商加大的产能显现，出现供大于求，产品价格下跌。
在半导体市场增长率呈低谷时，是生产商增加投入的最佳时期。
集成电路技术具有革命性和规律性的特征
集成电路技术的革命性
集成电路市场的不断扩大源于集成技术革命性的进步。
在人类社会的发展中，信息存储、信息处理和信息传输经历了人工时代、机械时代和电子时代3个革命性的历史阶段，当今，“电子”成为了信息存储、处理和传输的主体，集成电路则是承载和控制“电子”运行的主要载体，成为了信息技术革命的主力军。
在电子管和晶体管时代，作为无源器件的电阻、电容和电感由不同材料制成，而在集成电路中，有源和无源器件均由同一半导体材料构成，这是又一次革命性的转变。
集成电路的发明人基尔比（Jack S. Kilby）在2001年访问北京大学时，曾对笔者说：“由于电容、电阻、晶体管等所有部件都可以用一种材料制造，我想可以先在一块半导体材料上将它们做出来，然后进行互联形成一个完整的电路。”
虽然基尔比的第1个集成电路样品现在看起来非常粗糙、简陋，第2个集成电路专利仅有1个晶体管和4个阻容元件，但其中蕴含具有革命性意义的智慧却值得我们深思、传承和发扬光大。
正是有了由“一个晶体管”构筑的集成电路思想火花，才有了今天数以亿计晶体管集成在一个芯片上的中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、动态随机存取存储器（DRAM）、现场可编程门阵列（FPGA）、Flash等无数的集成电路产品。
在1958年基尔比申请了第1个集成电路专利后，仙童公司的诺伊斯申请了平面工艺制造的集成电路专利，为此后的集成电路平面工艺奠定了基础。
2000年，加利福尼亚大学伯克利分校胡正明教授团队发明了鳍式场效应晶体管（fin field effect transistor，FinFET），将集成电路制造工艺从2D推向了革命性的3D进程，使得集成电路制造工艺登上了历史的新台阶。
同样，为了获得更高的存储密度，防止邻近存储单元之间的串扰（cross talk），自2015年起，NANDFlash的生产也采用Vertical Scaling 的堆叠技术开始转入3D时代。
2018年，堆叠层数为96层Flash的存储容量达到了1.33 TB四层式存储单元（QLC，4 bit/cell）；2019年，东芝采用BiCS（bit cost scalable）工艺开发出112层、容量为512 Gb三层式存储单元（TLC，3 bit/cell）的快闪存储器。
在封装领域，硅通孔（through silicon via，TSV）技术的应用可以使CPU、GPU、存储器、传感器等不同种类的芯片以3D方式封装在一块集成电路当中。
采用浸没式、多图形曝光的方法，可以用波长193 nm的光源实现20~14 nm工艺产品的生产。采用“大马士革”工艺实现了铜代替铝的互连。
60余年来，每一项具有革命性技术的发明都成为了集成电路产业发展的驱动器。
集成电路应用的革命性
集成电路因其广泛的应用，使得许多领域产生了革命性变化。
（1）鉴于新冠疫情的影响，2020年11月20日，亚太经合组织（APEC）领导人非正式会议在云端以视频的方式进行。
（2）中国人民解放军火箭军于2015年12月31日正式成立。
2020年8月26日，一枚东风-26B弹道导弹与一枚东风-21D弹道导弹分别从青海、浙江2个不同方向射向解放军在南海进行军事演习的封锁区域，并精准命中了移动靶标。
（3）同等亮度的LED灯比白炽灯节约了80%以上的能耗。
2010年，中国白炽灯产量和国内销量分别为38.5亿只和10.7亿只。据中国照明学会测算，中国照明用电约占全社会用电量的12%，如果把白炽灯全部替换为节能灯，可节用电480亿kW·h，相当于减少4800万t二氧化碳的排放。
2009年7月，联合国秘书长潘基文在绿色照明项目签字仪式上说：“改变一个灯泡，同时改变我们的思维方式，我们就可以改变整个世界。”
（4）以MP3格式来录放声音的电子信息产品使得唱片业（78转、45转、331/3转的黑胶唱片）、磁带式录音机退出了历史舞台。
（5）数字摄影、摄像（数码相机，手机）颠覆了胶卷产业，市场上已不见了“柯达”“富士”“乐凯”等胶卷的踪影。
（6）微信、短信、电子邮件替代了手写书信，贴着邮票的信封和里面的信件变成了历史收藏；矗立在路旁的绿色邮筒和骑自行车穿梭于大街小巷的邮递员成为了过去的事情。
（7）互联网和电子信息的阅读方式导致传统纸媒发行率大幅下降。
2009年，第六次全国国民阅读调查显示，中国成年人报纸阅读率为63.9%；而根据2018年第十六次全国国民阅读调查的结果，报纸阅读率降为35.1%。2012年，全国报纸零售发行量为3006.58万份，到2014年下降到1568.77万份，2年内下降了50%。
（8）2019年，全国网上零售总额达106324亿元；至2020年6月，中国网络购物用户达7.49亿，网络支付用户达8.05亿。
（9）中国互联网络信息中心于2020年9月30日发布了《第46次中国互联网络发展状况统计报告》，至2020上半年，中国网民达到9.4亿（城镇6.54亿，农村2.85亿），互联网普及率为67%。
在控制新冠疫情的过程中，远程会诊、非接触体温检测、“健康码”一码通行等举措发挥了重要作用。
简言之，集成电路的应用极大丰富了信息获取的多样性（听觉、视觉、触觉）、信息存储的综合性（文字、数据、图像、音频、视频）、信息处理的复杂性（大数据、云计算、人工智能）和信息传输的时效性与广域性，开创了全新、全面革命的信息时代。
集成电路技术进步的规律性
1）集成电路市场增长率与GDP相关
从1975—2019年世界GDP增长率与世界半导体市场增长率的比较可以看出，两个增长率之间存在较强的相关性。
这说明GDP总量直接影响着半导体产业的发展，反之，半导体产业的发展及其电子信息产业的发展又成为GDP总量涨落的重要因素。
世界半导体市场增长率与GDP增长率的关系
来源：世界银行、WSTS
从2000—2019年中国GDP总量、中国电子信息产业销售额、中国集成电路市场和中国集成电路产业销售额的比较中，大致可以看出以下几点：
（1）中国电子信息制造业的销售额在2000年为GDP总量的13.28%，到2019年，该比例上升至17.59%，说明电子信息制造业一直呈快速发展态势，这与中国已经成为电子信息产品制造大国息息相关。
（2）集成电路市场的增长曲线与电子信息产品销售额的增长曲线呈平行关系，其比值一直接近1∶10。
（3）中国集成电路产业销售额增长曲线的斜率逐渐大于集成电路市场增长曲线的斜率，说明国产集成电路在国内市场中的比例逐渐增大。
2）集成电路市场增长率与资本支出增长率相关
集成电路技术进步与市场扩展密切相关，而技术进步的基础是研究开发，研发则需要巨大的资金投入。投资带动研发，研发带动新产品生产和相应投资，新产品带动新的系统应用，新系统应用带动集成电路市场的不断增长。集成电路产业的资本支出增长率与集成电路市场增长率高度相关。
3）摩尔定律
1965 年4月19日，任职于仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor）的戈登·摩尔（Gordon E. Moore）在《Electronics》杂志上发表了《Cramming more components onto integrated circuits》一文，提出集成电路在最低元件成本下的复杂度大约每年增加一倍。
1975年，摩尔在电气与电子工程师协会（IEEE）组织的IEDM会议上发表了题为《Progress In Digital Integrated Electronics》的论文，将上述每年增长一倍的推断进行了修正，改为每两年增长一倍。
这就是大家熟知的“摩尔定律”。
对于这个“定律”有两点需要澄清：一是这个规律仅仅是摩尔预测的发展“规律”，并非物理学、数学等严格定义的科学“定律”；二是网传集成电路上的晶体管数每18个月翻一番，只是对DRAM产品发展的统计规律，并不是戈登·摩尔本人的说法，他真实的说法是Intel CPU上的晶体管数每24个月翻一番。
4）每10年左右取得一代集成电路技术进步
随着主流光刻技术光源波长的缩短，集成电路主流设计工具、加工特征尺寸、硅圆片直径、主要封装形式等技术约每10年左右取得一代明显的进步。
以下两图从不同角度统计，都说明集成电路从最初研发到批量生产需要10年的时间跨度。
