魏少军院士：破解半导体微缩技术瓶颈的两大路径

澎湃新闻记者 张静

·除了新器件、新材料、新工艺持续往前发展，魏少军认为，未来集成电路发展有两条新路径：一是芯片架构的创新，另一条路是采用微纳系统集成的方式使得产品能够异军突起。

欧亚科学院院士、清华大学和北京大学双聘教授魏少军在上海集成电路大师讲堂演讲。

“中国集成电路设计业的发展是不容忽视的一大亮点”。8月30日，2022“海聚英才”上海集成电路大师讲堂第二期“设计篇”在上海集成电路设计产业园开讲。欧亚科学院院士、清华大学和北京大学双聘教授魏少军在演讲中回溯了集成电路设计业发展的历史，并介绍了当下中国集成电路设计业发展的最新进展与挑战。在他看来，破解半导体微缩瓶颈的方法除了新器件、新材料、新工艺持续往前发展还有芯片架构创新以及采用微纳系统集成两种新路径。

上海集成电路“大师讲堂”系列活动（第二期）由上海市人才办、市经济信息化委、市发展改革委、市科委等部门联合主办，旨在汇聚英才、吸引资源共同打造世界级集成电路产业集群。

“半导体、微电子、集成电路”三者的区别

“我经常会被人问到，你们从事集成电路的人，一会说半导体，一会说微电子，一会说集成电路，这三个词到底是不是一回事？”

魏少军以三个名词的科普开始了自己的演讲。他解释，这三个词并不是一回事。半导体讲的是一种材料，集成电路是构筑在半导体材料上的一种器件，微电子则是在半导体材料上构建集成电路的方法和工艺。虽然各有不同，但大家平时很少严格区分，原因在于很难把三者绝对割裂。

上世纪50年代，科学家致力于发展的是半导体，有了半导体专业；到了80年代，如何在半导体上构建集成电路更受关注。由于对工艺、方法、技术了解不多，因此这一时期集中精力掌握微电子相关知识，于是成立了微电子所、微电子学院、微电子专业；2020年以后，“我们看到我们最终实际上要实现的是集成电路的产品。我们对半导体材料和微电子技术的了解，目标是要构建集成电路。”因此，2020年12月底，集成电路正式被设置为一级学科。一批高校也相继成立集成电路学院。

“从半导体、微电子到集成电路三部曲，最终我们还是把它聚焦到集成电路产品上。”魏少军表示，集成电路设计永远站在产品开发的第一线。所谓集成电路设计，从技术角度看，是指从应用出发，抽取出相应的设计规格，设计工程师利用各种设计工具完成电路设计，再交由集成电路制造厂制造出集成电路产品。集成电路设计的另一道含义是指商业模式。在EDA、IP、设计服务、装备材料等支撑下，依托集成电路制造、封测，最终实现集成电路产品服务于客户。

集成电路设计崛起受益于代工模式

追溯集成电路设计业的快速发展，其得益于产业分工的细化，尤其是与其相辅相成的代工企业的崛起。

1984年，全球首家Fabless（无晶圆IC公司，主要是设计公司）企业赛灵思成立，开创了芯片设计业的先河。但芯片设计的快速崛起始于1987年台积电成立。

“设计公司的产品需要找工厂加工，但之前都是一些非专业的加工，碰到了很多麻烦，产品有了问题后两者会扯皮，到底是制造的问题，还是设计的问题。台积电出台的标准化让所有设计公司有章可循，只要按照它的标准来做设计保证能成功，不成功就赔钱。”

由于晶圆制造成本快速飙升，而Fabless资产轻、初始投资规模小、对市场需求反应快速、转型相对灵活等特点使得其备受青睐。到1990年前后，高通、英伟达、联发科等大量Fabless公司成立，Fabless迅速崛起。数据显示，1994年-2010年，集成电路设计业处于井喷期，收入的年均复合增长率达21.66%，同期IDM（集芯片设计、制造、封测等多个环节于一体）的年均复合增长率为4.7%。2010年-2021年，集成电路设计业收入的年均复合增长率降至10%，但仍高于同期IDM的4.5%。2010后，Fabless进入稳定发展期，2021年占比升至31.6%。

魏少军表示，这表明设计+代工的商业模式展示了非常强的生命力。对于代工厂而言，设计公司生产订单的填充使得代工厂具备规模效应，摊薄单位成本，进而能获取更多设计公司的生产订单。对于设计公司而言，代工厂的生产成本降低，也就降低了设计公司的进入门槛，进而催生了更多设计公司。

中国芯片设计业已具可观规模

就中国而言，近年来芯片设计业的发展之快有目共睹。据介绍，2021年，中国芯片设计企业已超2800家，全行业销售预计为4586.9亿元，同比增长20.1%。2021年中国已有400余家设计企业年销售额超过1亿元，两三家企业超过100亿元，相当一批企业超过了10亿元。

从集成电路设计的区域销售情况来看，长江三角洲地区占据半壁江山，京津环渤海地区、珠江三角洲地区紧随其后；去年所有销售规模进入前10的城市设计业销售增速都超过了60%，其中增速最高的城市是济南，增速达到了193.9%。

从2021年的发展来看，消费类电子占到较大分量，通信占比略微下降。但通信在集成电路发展中一直占有非常重要的历史地位，魏少军认为随着关键技术突破以后，中国在通信、计算机电子方面的发展指日可待。

“中国集成电路产品的发展有自身特点，以中低端为主，高端产品不是太多，但也不是没有。”在魏少军看来，我们已经有了相当可观的产业规模，也有了完整的产品体系，下一步的发展是从追赶到并行，并在部分领域逐渐实现领跑。

魏少军表示，集成电路设计的最终目标是集成电路产品，与用户的关系非常紧密，因此要紧紧与客户联系，理解他们的应用，了解他们的需求，以创新为动力驱动发展，“中国的应用如果要走到世界前列，芯片设计人员必须站在时代潮头，勇当弄潮儿，才能引领产品发展。”

集成电路设计业的挑战与破题

经过多年发展，集成电路设计业当下有哪些新的发展趋势，又面临哪些挑战？

魏少军介绍，在尺寸微缩技术下，单个芯片上可以集成的晶体管数量是天文数字，比如5纳米工艺下，一个平方毫米上可以集成大约1.1亿晶体管，系统复杂度极其高。

但一方面，集成电路集成度在不断提升，应用领域在拓展；另一方面，今天的半导体微缩技术已经逼近物理极限，未来必然会受到限制。此外，芯片设计还面临速度、功耗、灵活性、软硬件协调配合应用的困境。

除了新器件、新材料、新工艺持续往前发展，魏少军认为，未来集成电路发展有两条新路径：一是芯片架构的创新，另一条路是采用微纳系统集成的方式使得产品能够异军突起。

其中，应用定义软件、软件定义芯片，带来了全新计算模式，是架构上的创新。所谓软件定义芯片，是将软件划分成可以在基元（即多功能的计算单元）阵列上运行的子任务，按照任务依赖关系将子任务逐块映射到基元阵列上运算。这类基元阵列架构可以通过编程的方式改变芯片连接和芯片功能。

至于系统集成，魏少军解释说，2.5D封装是若干个芯片并排排列在中介层上，通过中介层上的硅穿孔、再分布层、微凸点等，实现芯片与芯片，芯片与封装基板间更高密度的互联；而3D封装是将各芯片直接堆叠，可以把不同工艺设计的芯片集成在一起。

魏少军表示，利用架构创新和系统集成创新两种新路径研发的超高性能近存计算芯片，即便使用成熟制造工艺，仍可实现优于主流先进工艺CPU/GPU 1-2个数量级的能量效率，目前已经完成相应技术验证。

责任编辑：吴跃伟

校对：张艳

第三代半导体材料的选择难题待解：技术、资本、成本

作者：王汉星

回顾2020年，新冠肺炎疫情的蔓延持续冲击着全球半导体产业链。与此同时，国际贸易形式的变化对国内半导体产业的发展与突破带来严峻挑战。在此背景之下，以碳化硅、氮化镓为核心的第三代半导体材料，伴随着功率器件产业的景气度上升，逐步成为市场关注的热点。

这其中，第三代半导体相较前两代尚处于发展初期，国内外龙头厂商差距较小。那么，第三代半导体材料究竟能否成为国内半导体产业实现全面自主化的突破口？行业内存在哪些难题与瓶颈？所谓的“弯道超车”是拼命还是“取巧”？

理论基础：功率半导体激活增长空间

要回答以上问题，首先要对第三代半导体产业链有一个大致的了解。第三代半导体材料主要包括碳化硅、氮化镓、金刚石等，又被称为宽禁带半导体材料。与第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及高辐射等条件的要求。当前，第三代半导体材料主要应用于功率半导体领域，应用场景涵盖新能源汽车、高速轨道交通、新一代移动通信、智能电网、航空、航天等。从应用角度来看，第三代半导体材料与国内的新基建、消费电子市场密切相关。

中国是全球最大的功率半导体消费市场，根据IHS Markit预测，2018年全球功率器件市场规模约为391亿美元，预计至2021年市场规模将增长至441亿美元，年化增速为4.1％。国内市场方面，2018年需求规模为138亿美元，增速为9.5％，占全球需求比例为35％。预计2021年国内市场需求规模将达到159亿美元，年化增速达4.8％。

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：全球半导体贸易统计组织

从上图可以看出，全球功率半导体市场的规模增长在近年来趋于平稳，国内的平均增速略高于国际市场。事实上，功率半导体在工业控制和消费电子两大主要应用领域的产业链已相对完善，技术相对成熟，因此增长的弹性较低。但随着近年来国内新基建概念的兴起，功率半导体的应用领域开始逐步向5G、新能源、轨道交通、智能电网、变频家电的增量市场拓展，从而获得全新的长期增长动力。

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：华润微招股说明书

从主要产品结构中可以看出，IGBT、MOSFET等近期热门词汇均是功率半导体领域的相关产品，根据IHS Markit的预测，MOSFET和IGBT是未来5年增长最强劲的半导体功率器件。此外，第三代半导体材料的应用还包括5G新基站建设、智能手机、以及新能源汽车三大热门领域。根据世纪证券研报数据显示，5G宏基站使用的PA功率放大器数量在 2019年达到1843.2万个，2020年有望达到7372.8万个，同比增长有望达到4倍。预计2020年，基于GaN工艺的基站PA占比将由去年的50％提升至58％；智能手机领域，预计 2020年全球GaN充电器市场规模为24.41亿元，2022年有望达到87.74亿元。

综上所述，在新基建的带动下，新能源汽车、消费电子、智能电网、轨道交通、LED、5G等新兴市场增量通过功率器件传导至上游的第三代半导体材料行业，从而为行业的发展打开了新的“窗口”，市场需求的客观存在为国内第三代半导体材料行业的“弯道超车”提供了理论基础。

实际操作：“技术+资本”是突围关键

而在理论基础之上，国内相关产业链上的企业则是实现“弯道超车”的主体与关键。从全球市场格局来看，据IHS Markit统计，在功率半导体领域，2018年全球功率半导体市占率最高的企业依次为德州仪器、英飞凌、安森美及意法半导体；其中英飞凌、德州仪器及安森美亦是在中国区域内功率半导体市占率最高的企业。

Omida统计显示，2019年全球功率半导体市场规模约为468亿美元。其中，中国占全球市场约36％的份额。在国产化方面，2017年，功率半导体主要器件国产化率低于50％，主要产品IGBT模组、MOSFET、晶闸管、整流器的国产化率仅有30％。

上游材料领域，根据Yole统计数据，以导电型产品为例，2018年美国占有全球碳化硅晶片产量的70％以上，仅CREE 公司就占据一半以上市场份额，剩余份额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。国内碳化硅晶片厂商所占市场份额不足3％。从以上数据中可以看出，与国内半导体产业的其他细分领域相一致的，自主化替代仍旧是第三代半导体材料及其应用领域的首要任务之一。

今年年初，斯达半导、华峰测控、华润微等第三代半导体材料及相关功率半导体领域重要厂商陆续登陆A股市场，随着市场关注度的迅速提升，叠加资金与资本的入场，第三代半导体材料产业的自主化替代进程提速。当前，A股第三代半导体概念相关个股共计45个，其中在2020年上市的有9家。部分主要厂商的业务与市值情况如下所示：

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：巨灵财经

从资本市场表现来看，年内第三代半导体指数涨幅为6.91％，略低于大盘。而成分个股方面，年内涨幅最高的斯达半导达到1794.09％，年初至今涨幅超过100％的个股共计16家。从市值分布情况来看，如下图所示：

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：巨灵财经

整体上看，A股第三代半导体概念板块的总体市值体量不大，大量上市公司集中在300亿市值以下，并且个股的年内涨幅呈现出较为明显的两极分化趋势。

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：巨灵财经

从第三代半导体行业重点上市公司2020年上半年的经营数据来看，大多数企业的营收与利润均实现增长，且利润增速普遍高于营收增速。在研发方面，根据2020年半年报数据，第三代半导体板块的平均研发占比为5.25％，其中总市值在200亿元以上的企业平均研发投入占比为6.05％。

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：巨灵财经

如上图所示，第三代半导体企业2020年上半年的毛利率水平与研发投入占比并无明显的正比关系。但从整体上来看，市值排名靠前的头部企业大多数拥有更高研发投入占比及毛利率。第三代半导体是技术高度密集的产业，因此对于企业的研发投入和研发周期都有较高的要求，以碳化硅为例，虽然经历了数十年的研究，但目前碳化硅生长技术仍然只有美、德、日的少数几家厂商掌握，且距离大规模产业化还有一定差距。

目前全球第三代半导体材料产业所面临的难题对于国内企业来说既是挑战，也同样是机遇。相较前两代半导体材料，第三代仍处于发展初期，因此国内外龙头厂商基本处在同一起跑线上。此外，国内庞大的需求市场叠加“十四五规划”、新基建对于新材料领域的发展诉求，为国内相关厂商提供了不错的发展土壤。最后，随着资本助推的不断发力，国内第三代半导体企业的突破与升级便拥有了实际操作性。

“弯道超车”仅仅只是开始

那么，有了理论基础和实际操作性，第三代半导体材料能否成为国内半导体产业链实现“弯道超车”的重要契机呢？回答这一问题之前首先要明确两个前提：1）功率半导体≠所有半导体，第三代半导体材料并非所有场景下的最优解；2）从技术突破到实现民用还有很长一段距离，这其中的成本问题至关重要。

将以上两个前提结合起来看，首先在应用环节上，碳化硅可以制造高耐压、大功率电子器件，例如MOSFET、IGBT等，多数应用于智能电网和新能源汽车行业。氮化镓具有高临界磁场、高电子饱和速度等特点，适用于5G通信、微波射频等应用领域。因此，第三代半导体材料的主要应用场景为功率器件和射频器件，与整个半导体产业链的市场规模相比仍然比较有限。而主流的存储、电路等手机芯片还是以硅为主，这也是目前市场规模最大的领域。

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：赛迪智库、世纪证券研究所

事实上，在新能源、新材料领域，成本往往起到决定性作用。新旧替换并非不计成本，如果第三代半导体材料的成本无法下降到一个合理区间，在应用领域就无法被大多数厂商所接受。尽管第三代半导体材料在功率器件等方面优势明显，并且在光电子和高频微波器件等方面具有发展潜力，但在部分逻辑器件上相对于第一代半导体材料硅并无任何性价比优势。根据华安证券研报数据显示，目前碳化硅行业发展的瓶颈主要在于碳化硅衬底成本高达到硅 的4-5倍，预计未来3-4年价格会逐渐降为硅的2倍。

因此，国内的第三代半导体材料行业，在新基建、消费电子的带动下有着巨大的市场潜力，同时国产化替代也蕴含着庞大的发展空间，行业的长期增长逻辑客观存在。而在技术突破上，“拼命”自不必说，国内半导体产业的自主化进程并无“巧”可取，若能实现“弯道超车”也仅仅只是开始，在打破技术壁垒的基础上，真正实现“平价”，突破成本瓶颈，才是第三代半导体行业乃至整个半导体产业良性增长的保障。

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