事件：国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议5月14日在北京召开。会议专题讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。
芯片微缩工艺在传统摩尔定律范式下已经运行了半个世纪,目前即将走向尽头,,这是硅的物质极限所决定的,也是全新的AIoT计算架构的要求,未来将在材料和封装上创新,具体体现在五大方向:
1、成熟工艺(八寸片、功率半导体):
IGBT和MOS管属于开关电源,是工业之米,必选消费品,广泛的应用在消费电子,家电,汽车和工业领域。在消费电子领域,随着5G的推广以及电池能量密度的局限性,快充的需求在逐年增长,所以快充中需要的MOS管的需求也随之释放。这些年新能源汽车的兴起,对IGBT在内的功率半导体需求大度增加,同时也拉动MOS管和各类的二极管的需求。随着节能环保,碳中和的概念被提出,在光伏,风电等领域国产替代的加速,也拉动国内功率半导体的需求大幅增加。
在目前的国际贸易大环境下,国内功率半导体公司迎来非常好的发展环境。目前功率半导体领域还是英飞凌,意法半导体,三菱电机和富士电机等欧洲日本企业来主导,但随着国内企业的崛起,未来在硅基领域,国内企业有望实现份额的显著提升。
功率半导体很多工艺平台主要在8寸,并且8寸和12寸工艺上差别不大,从线宽角度看,12寸功率半导体也仅仅是90nm,只有做到功率IC才会往65nm线宽去发展。这意味着国内绝大多数半导体设备和材料公司都可以为功率半导体产线提供设备和材料,从而最大限度的解决了卡脖子瓶颈问题,这是功率半导体发展的基础。同时随着国内新势力造车,以及中国的人口优势,在未来新能源汽车渗透率逐年提升的行业背景下,国内功率半导体公司将迎来黄金发展期。
2、第三代半导体(SiC、GaN):
全球第三代半导体产业格局呈现美、欧、日三足鼎立格局,其中美国一家独大。随着中美贸易战的不断升级,半导体芯片领域成为了中美必争之地,伴随着华为被列入实体清单,高端装备等领域的国产化势在必行。此外,SiC材料和器件在军工国防领域的重要作用,也越来越突出。我国GaN产品逐步从小批量研发、向规模化、商业化生产发展,目前GaN单晶衬底实现2-3英寸小批量产业化,4英寸已经实现样品生产。对于GaN异质外延衬底已经实现6英寸产业化,8英寸正在进行产品研发。GaN材料应用范围从LED向射频、功率器件不断扩展。
器件发展,材料先行,IDM模式将继续成为行业主流。SiC将会取代Si作为大部分功率器件的材料,但不会完全替代,因为数字芯片并不适合采用SiC对Si进行替代,因此SiC预计占整个半导体行业10%左右。SiC主要应用在功率半导体上,IDM模式能够确保产品良率、控制成本。目前国内外差距没有一、二代半导体明显。先发优势是半导体行业的特点,Cree高市占率也印证了先发优势的重要性。相较于Si,国产厂商对SiC研究起步时间与国外厂商相差不多,因此国产厂商有希望追上国外厂商,完成国产替代。
3、先进封装(SiP、SOIC、CoWoS):
先进封装之所以能够成为持续优化芯片性能和成本的关键创新路径,主要在于以下两点:
1．小型化:通过单个封装体内多次堆叠,实现了存储容量的倍增,进而提高芯片面积与封装面积的比值。3D封装首先突破传统的平面封装的概念,组装效率高达200%以上。
2．高集成:以系统级封装SiP实现数字和非数字功能、硅和非硅材料和器件、CMOS和非CMOS电路等光电、MEMS、生物芯片等集成在一个封装内,完成子系统或系统。
SiP将不同用途的芯片整合于同一个系统中,在系统微型化中提供更多功能,而且还使得原有电子电路减少70%-80%。先进封装技术引领封装行业发展趋势,是未来低功耗、高性能、小型化终端应用的必然选择。
布局竞速,龙头竞相卡位先进封装。先进封装对延续摩尔定律生命周期的重要性,也引起了晶圆厂商和IDM厂商的重视,为抢占技术高地,全球主要封测厂、晶圆厂、IDM都在加紧布局先进封装。
台积电引入CoWoS作为用于异构集成硅接口的高端先进封装平台以来,从InFO(集成式扇出技术)到SoIC(集成芯片系统),再到3D多栈(MUST)系统集成技术和3D MUST-in-MUST(3D-mim扇出封装),进行了一系列创新。包括日月光的FoCoS,Amkor的SLIM、SWIFT,我们认为先进封装技术已成为封装行业未来的主流发展趋势。
得益于对更高集成度的广泛需求,以及5G、消费电子、物联网、人工智能和高性能计算HPC等大趋势的推动,业界需要依靠先进封装来对冲芯片制造端的阻力,先进封装逐步进入其最成功的时期。根据Yole数据显示,全球封装收入的年复合增速为4%。
其中先进封装市场的年复合增速达7%,到2025年先进封装收入将达到422亿美元,而传统封装的年复合增速仅为2%。此消彼长之下,全球先进封装的收入占比将从2014年的38%,预计上涨至2025年的49．4%,占据半壁江山。
4、特色工艺制造(射频):
射频前端模块(RFFEM)是终端通信的核心组成部件,介于天线和收发之间。射频前端模块主要包括开关(Switches)、功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、滤波器(Filter)/双工器(Duplexer)等。
射频开关(Switch):通过将多路射频信号中的任几路连通,实现不同信号路径的切换,包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等,以达到共用天线、共用通道的目的。主要包括移动通信传导开关、WiFi开关、天线调谐开关等。
天线调谐器(Tuner):连接发射系统与天线的一种阻抗匹配网络,使得天线在所应用频率上辐射功率最大。
低噪声放大器(LNA):把天线接收的微弱射频信号放大,并尽量减少噪声的引入,能有效提高接收机的灵敏度,进而提高收发机的传输距离。
功率放大器(PA):把发射通道的微弱射频信号放大,使信号获得足够高的功率,实现更高通信质量、更远通信距离。
滤波器(Filter):通过信号中特定频率成分并极大衰减其他频率成分,提高信号抗干扰性与信噪比。
双工器(Diplexer):由两组不同频率的带通滤波器组成。利用高通低通带通滤波器的分频功能,使得两条信号路径可以使用同一天线或传输线,实现同一天线对两种不同频率信号的接收发送。
射频前端器件一般使用成熟制程,不跟随摩尔定律迭代。射频前端器件对GaAsGaN等新材料、新工艺的需求远胜于对先进制程的需求。射频前端器件对于移动通信意义巨大、市场广阔,在后摩尔定律时代,有利于我国追赶、反超世界先进水平。
5、计算架构(IP、ARM、RISC-V):
2021年3月,ARM推出近10年来最大的指令集更新Arm V9。Arm V9在完全兼容前代V8的基础上,以安全性、AI性能、矢量计算拓展作为三大支柱。Arm V9将实现下游应用的从端到云,从高能效到高性能的全面覆盖,为ARM在未来十年成为下一个3000亿芯片的计算平台奠定了基础。RISC的另一条路径是采用RISC-V指令集。RISC-V具有完全开源、架构简单、易于移植、模块化设计、完整工具链支持等特点,适用于现代云计算、智能手机和小型嵌入式系统。英伟达的GPU也使用了RSIC-V内核,组成了异构计算单元。RISC-V未来有望成为和X86、ARM比肩的重要架构。
异构计算是后摩尔时代,以GPU、FPGA、ASIC为代表的专用计算芯片的崛起。在异构计算中,芯片可以发挥各自所长的情况下,通过HSA架构共享数据,提升整体的计算效率,最终实现“1+1>2”的结果。以特斯拉FSD和英伟达Xavier为代表的电车智能驾驶芯片为例,它们同时集成了GPU、CPU、NPU、ISP、DLA等至少10种芯片。
在异构计算时代,采用Arm指令集的Cortex A系列IP核相较于X86指令集的IP核具有先发优势,英特尔直到2019年才推出同时使用SunnyCove大核和TreMont小核的LakeField异构处理器。同时,存算一体架构,旨在将过去以计算为中心的架构转变为以数据为中心的架构,可以彻底消除冯诺依曼架构的瓶颈,特别适合目前后摩尔时代以AI深度学习这样大容量大规模并行的应用场景。
