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国产芯片的自主可控与自主创新之路,任重道远

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国产芯片的自主可控与自主创新之路,任重道远
2021-04-29 09:55:29 阅读: 发布人:纵横智控

基于集成电路成为我国重要的高技术产业,面对当前的形势进行了分析。对芯片生产和设计的国 际市场以及国内发展现况进行了介绍,对国产芯片实现自主可控与自主创新提出建议与展望。

进入 2018 年,美国对自中国进口的商品大幅 增加征收关税[1]。时至如今,在美国强而有力的政 治及经济相互配合的攻势下,倒逼出很多以往我们 没有过多重视发展的制造设计以及相关观念,产生 了变化,特别是信息产业和集成电路产业。

背景

2018 年 4 月,美国对中兴的制裁,由美国商 务部发布公告,禁止中兴通讯在未来 7 年内,向美 国企业采购敏感产品。2018 年 5 月,美国众议院 通过(H.R.5515)议案,禁止美国联邦政府采购中 国海康威视和大华的视频监控设备。

2019 年 5 月,美国总统签署法案制裁华为, 随后美国商务部工业与安全局将华为列入美国的实 体清单中,所有想要提供芯片及软件给华为的美国 企业,都要提出申请,正式封杀华为进口美国产品 的可能。在制裁案颁布不久后,Intel 首先宣布停 止对华为提供 CPU,随后不久,软银宣布暂时停止 对华为提供 ARM 的技术支持。ARM 与 Intel 虽然 同处半导体行业,但是他们所处的领域并不相同。 ARM 是移动终端领域的巨头公司,从移动智能终端 起步至今,始终处于市场的领导地位,全球主要手 机芯片供应商如高通、三星、中国台湾联发科都采 用 ARM 的架构,全球超过 85% 的智能手机和平板电脑都是采用 ARM 架构处理器。而 Intel 则在 传统的 PC 及服务器市场上占据龙头位置。

这两家半导体巨头停止对华为的产品及技术 授权(ARM 的标准合作模式),造成华为重要产 品如服务器、交换机、通信设备以及消费电子的 手持终端(手机、平板)产品及关键技术,形同断 供。就在贸易摩擦逐渐上升的背景之际,中国海关 总署于 2019 年 1 月提供的数据显示[2],中国集 成电路进口额首破 2 万亿人民币,并且连续数年 位居国家进口种类的首位,超越了石油进口总额。 数据表明,国内半导体芯片高端芯片,绝大部分还 是需要靠国外进口,距离国家倡导的自主可控,仍 有一段差距。

产业概况

国内在数字芯片设计的实力,已经逐渐提升 到相当的水平,但在生产制造方面,高阶制程仍较 多依赖国际大厂。目前全球芯片生产主要晶圆厂有 中国台湾的台积电(TSMC)、联电(UMC),美国 的格罗方德(Global Foundries)。而国内纯晶 圆代工厂,主要是上海的中芯半导体(SMIC)、 华虹集团、苏州和舰(HEJIAN)以及生产存储芯 片为主的长江存储、合肥长鑫、以及被美国美光公 司控告,遭受美国制裁目前处于停摆状态的福建晋华公司。自 2005 年以来,中国大陆一直是集成电 路最大的消费国,但根据 IC Insights 分析[3], 中国大陆的 IC 产量并没有随之大幅增加。

国产芯片的自主可控与自主创新之路,任重道远

图 1 中所示,2018 年中国大陆半导体产量年 复合成长率达到 15%。但我们不能忽略,这些数字 当中其实包含了中国台湾的台积电、美国英特尔、 韩国三星、SK 海力士等大型半导体厂商在我国大 陆生产的贡献值。其中 SK 海力士在大陆的 12 英 寸晶圆厂产能最大,每月高达 20 万片的满载产 能。英特尔在大连的 12 英寸晶圆厂,截至 2018  年 12 月也达到每月 7 万片的产能。

2 芯片设计 芯片设计位于半导体产业的最上游,是半导体 产业的核心基础,需要大量的人力、物力、财力投 入以及长时间的积累。

2018 年第二季度的 CPU 市场,英特尔市场份 额占比 81.8%,持续领跑全球。GPU 市场中,ATI  公司和英伟达公司的高阶 GPU 市场在早期占据绝 对位置,后 ATI 公司被 AMD 公司收购,由于 AMD  在生态圈的长期缺位,目前呈现英伟达一家独大的 局面,市占率接近 70%。

在 FPGA 市场,美国 Xilin x 和被英特尔收 购的 Altera 公司占据全球绝对市场份额,如果再 加上生产特殊规格的 Lattice 公司,可以说几乎 垄断全球所有市场。 反观国内核心芯片主要依赖进口的局面并没 有太多改变,在高性能 CPU、GPU,以及 FPGA 领 域,目前国产芯片在国际上的占有率微乎其微。

CPU产品

近几年来,我国涌现出一批科研院所和骨干企 业设计出优秀的中央处理器(Central Processing  Unit,CPU)产品,其中出名的如龙芯[4,5]、申 威。前者 CPU 已经大量应用在关键基础设施以及 重要单位的计算机系统中。而后者申威 26010 多核处理器则是国家超级计算机神威•太湖之光[6]的 主要运算芯片,共集成安装 40 960 个申威 26010  CPU。我国科研人员依托神威•太湖之光超级计算机 的应用成果,首次获得“戈登•贝尔”奖,实现我 国在该奖项上零的突破。2017 年全球超级计算机  500 强榜单公布,神威•太湖之光以 9.3 亿亿次/s  的浮点运算速度,第四次夺冠。突破美国在 2015  年宣布对中国禁售高性能处理器的限制。

GPU 产品

相较于 CPU,图形处理器[7-9](Graphics  Processing Unit,GPU)产品国际市场产值相对较 小,全球仅剩下 NVIDIA 和 AMD 两家研发高性能  GPU,年营收加起来也只有 100 亿美元左右。长 沙景嘉微电子,成立于 2006 年,是国内当前唯一 成功自主研发国产化图形处理芯片并进行产业化的 企业。2014 年该公司成功研发了 JM5400 GPU 芯 片,号称国内首款自主知识产权的高性能 GPU 芯 片。除了景嘉微之外,国内中船重工集团 709 所 及 716 所也有研制国产 GPU。但总体而言,在人 才、技术和专利障碍上,国产 GPU 与国际领先厂 商仍存在不小的差距

FPGA产品

现场可编程门阵列(Field-Programmable  Gate Array,FPGA)产品[10-14]因为市场容量小, 投资回收成本难,加上赛灵思(Xilinx)、阿尔特 拉(Altera)修筑专利壁垒,国内 FPGA 厂商大 多处于比较艰难的发展阶段。国产 FPGA 目前以高 云半导体、上海安路、紫光同创、AGM 及上海复旦 微等企业代表国产 FPGA 产商,但在超过 100 亿 元的国内 FPGA 市场中,国产市占率不到 3%。然 而在一次军民融合展会上,中电科下属单位展示了 正向设计的 3 500 万门级 FPGA,随后,中国电 子集团(CEC)公开宣布成功研发 7 000 万门级  FPGA,两大集团取得的技术突破,解决了部分高端  FPGA 从无到有的问题,振奋人心。

EDA 产品 在芯片设计领域,芯片设计工具是电子设计 自动化[15](Electronics Design Automation, EDA)产品。目前全球主要的 EDA 厂商如美国的  Synopsys、Cadence 几乎占据 90% 的 EDA 市场 份额。如果再加上美国的 Mentor 公司,达到近  100% 的市场份额。这些巨头公司,对后起之秀的  EDA 设计公司采取包围垄断的商业策略。也就是一 旦某家公司的 EDA 工具研发达到一定的水平,且 被芯片设计人员开始广泛使用的时候,这些巨头公 司就会开出相当诱人的价码,对这些后进公司进行 全盘收购。至今,无收购失败的案例。

我国集成电路业内人士表示,分析华大九天的 发展历程,便能看到中国 EDA 的发展之路[16]。

在美国三大 EDA 市场的巨头垄断之下,华大九天 目前尚只能提供 1/3 左右的产业所需 EDA 解决方 案。华大九天虽然在 16 nm 及 28 nm 工艺方面 已经相对成熟,但类似华为海思麒麟芯片已实现 7  nm 的制程工艺,故而在更先进的制程工艺上,华 大九天仍然有更长的路要走。

解决方法与展望

半导体产业属于高度技术及资金密集产业,故 而更需要国家政策倾斜、人才培养、资金补贴,更 重要的是长期投入,而不能期待短期获利。不论是 在半导体的上中下游,都存在大量技术积累和人才 建构。中国半导体制造为了缩小差距,实现赶超, 已经开始不断从各地引进人才,引人关注的是关 键人物从三星加盟到中芯国际。中芯公司顺利推进  28 nm 制程,并研发至 14 nm 制程,可见人才之 重要性。

其次,国家应坚持采取兵分多路的模式。位于 武汉的长江存储及合肥长鑫已开始逐渐发力,在存 储市场上,不至缺席。并且,政府应将半导体发展 提升至国家战略高度。集成电路尤其是制造端,投 入百亿元乃至百亿美元短期内也未必见效。一般投 资人从投资回报的角度来看,投资门槛太高,风险 性过大,所以必须靠政府主导。国家已成立集成电 路产业投资基金[17],目前基金二期的募资工作已 经完成,规模在 2 000 亿元左右,已上报国务院 获批,体现出对半导体业非常正向的国家导向。不 论是芯片制造的中芯、华虹、三安光电,或是芯片 设计的兆易创新、北斗星通、乃至于前文提到国产  GPU 龙头景嘉微和封测的长电、太极、通富微电 等,都获得大基金的覆盖投资。

中国国家核高基重大专项组组长魏少军表 示,到 2020 年,中国半导体产业需要的人才在  70~80 万人之间,但是目前人才缺口至少超过一半 以上。值得注意的是,虽然目前国内开始通过高薪 引进海外人才弥补高端人才缺口,但对于基础人才 的培养,高等教育更应成为重中之重,同时搭配雄 厚师资力量以及企业培训不断加强。 魏少军先生特别指出[19-20],解决我国集成 电路人才不足问题,要抱着改革心态,通过供给侧 改革方式,解决人才短缺建立长效发展机制。这样 才能解决中国芯的短板,缩短与国际大厂的技术差 距,增强国产芯片的竞争力。

经济发展水平是国家总体实力的展现,近年来 中国在许多领域逐渐赶超世界,达到领先水平。美 国等发达国家为保障自己国家利益,陆续发动中兴 事件,乃至于制裁华为,这些都是政治手段影响经 济发展的模式。但在这些事件背后,让我们深切体 认到关键基础建设,不论是在软件,硬件,乃至于制造,多方面技术我们仍然欠缺,需要依赖国外技术 进行支持。

在这些深刻的教训之下,芯片产业乃至于各行各 业发展自主可控,已没有任何侥幸。要解决卡脖子的 窘境,只有上下齐心,沉淀积累,稳健前行,才能逐 渐实现国产化替代的伟大历史任务。关键词:以太网

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