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中國半導體芯片的進擊之路何在?
發布時間:2018-05-12
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近半個月以來,半導體行業引發了國內的廣泛關注與熱議。目前國內的半導體芯片在高端硬件設計和制造方面仍與國際頂尖水平存在差距,中國在芯片領域有哪些短板亟待突破?人工智能芯片的快速發展是否會讓我們實現彎道超車?研發和創業資金的投入是否爲中國芯片的成長帶來了機遇?5月8日,搜狐創投SoPlus系列沙龍活動邀請了中國科學院微電子研究所研究員陳岚,中國科學院計算技術研究所研究員李曉維和南京大學教授王中風,就中國半導體芯片的現狀和未來、瓶頸和機遇等問題進行了深入討論。

如何認識半導體芯片?

半導體是一種導電性介于導體和絕緣體之間的材料,常見的半導體材料有矽,鍺等。芯片就是半導體産品的統稱,是集成電路的載體。南京大學微電子學院教授王中風指出芯片應用的範圍很廣,已廣泛應用到日常生活中的汽車、路由器、手機、電視機等産品。中國科學院計算技術研究所研究員李曉維提到一個流行指標說明芯片應用的廣泛,“一個人如果每天接觸到的處理芯片少于20個,那這個人就沒有進入現代化”。

 

中国科学院微电子研究所_福斯特半導體

 

中国科学院微电子研究所 陈岚研究员

各种各样的芯片已经遍布我们的生活,那芯片之间的性能差异是什么原因造成的?中国科学院微电子研究所研究员陈岚提到像SoC这种集成电路芯片,是由S(system)和C(chip)共同确定的。比如,高通的通讯芯片占据大量市场份额,除了拥有的专利技术外,它在system即應用領域的算法和架构方面的多年积累也是它性能优越的重要因素。芯片物理实现的时候涉及到加工技术代,加工工艺特征尺寸越小,晶体管性能越高,单芯片集成度越高,芯片能实现的功能就越复杂,性能也会越高。李晓维介绍芯片的结构也会对性能产生影响,从结构设计角度也可使芯片性能进一步提升。王中风还补充道,设计架构师的经验对芯片性能也有很大影响。架构师不仅要对硬件本身理解,也要理解芯片的实际应用,个人经验的积累、悟性、受教育的程度等都会影响他的理解。

目前,國內外低功耗芯片的研發逐漸成爲一個熱點。陳岚分析主要有幾點原因,首先是目前功耗過高帶來的一些局限,比如硬件過燙而影響工作。第二是由于物聯網的應用,物聯網監控是無人值守的,需要保證一顆電池用到一定的時長,對功耗的要求也相應提高。還有一個原因是泄漏電流的存在,即芯片即使不工作也在耗電,這就造成了功耗的增加。要提升芯片的低功耗性能,王中風認爲不是一招一式能做到的,需要有“內力”,這包括幾個層面:一是工藝,集成電路的工藝越先進,功耗的降低就會越明顯;二是芯片設計本身,通過簡化算法和運用硬件設計技巧也可以降低能耗。不過李曉維指出在芯片設計過程中,需要綜合考慮性能、功耗和可靠性之間的折中和平衡,並不是一味強調低耗能,而是要根據目標進行調節,如果目標是追求性能的話,那功耗便可能會相應變高。

 

中国科学院计算技术研究所 李晓维研究员_福斯特半導體

 

中国科学院计算技术研究所 李晓维研究员

中國半導體芯片行業發展的瓶頸

談及當今芯片産業的世界格局及中國的處境,中國科學院微電子研究所研究員陳岚指出,集成電路芯片發源于美國矽谷,再發展到日本、韓國,其實中國集成電路和世界起步基本是同步的,但是在原始技術創新上,美國目前擁有許多“卡脖子”的技術,比如光刻機,eda工具。在芯片的原材料和裝備上,日本占了部分所需的化學試劑60%以上的市場。韓國的特長主要是存儲器産品,台灣地區是專業代工。中國也已經把集成電路當成重要産業進行支持,中芯國際已經實現28nm芯片的量産,已經在爲高通提供産品加工服務。

但國內芯片行業也還存在這一些制約因素,王中風指出中興被美國禁售引起的反響比較大,並不是中興不能生産芯片,只是高端芯片還是一個瓶頸。李曉維認爲制約因素要從設計、生産、封裝和測試各個環節進行思考,比如國內目前的一些生産工藝相比國際發達水平大概落後了三代。陳岚指出目前我國芯片發展的制約因素不只是設備和裝備的問題,還要從芯片設計方面進行考慮,在芯片的研發過程中,隨著芯片複雜性提升,對設計技術的要求也在提高。一個是需要先進的設計方法與eda工具,另外複雜芯片所需的計算平台資源不亞于一個超級計算機提供的計算能力。在芯片的制作材料上,目前主要使用的是矽,還未找到替代品,這也可能會制約芯片的持續性發展。

 

南京大学 王中风教授_福斯特半導體

 

南京大学 王中风教授

王中風還指出了業界存在的一些問題,在十幾年前還會有小公司不斷成長,但現階段小公司往往面臨沒有資金的問題而難以發展。其實更多小公司的成長可以推動大公司的創新和發展,但是成本增高使得普通創業者難以參與進來,于是就有大公司壟斷的趨勢。陳岚也補充道,通過觀察國際的産業布局,我們應該清醒地認識到這已經是個成熟的産業,現在的利潤空間是透明的,不像新興産業一般有巨大的利潤空間,並且這是一個高投入、高技術、高回報的産業,行業實力前20%的企業拿走了80%的利潤。

中國芯片的未來發展,路在何方?

現在國內人工智能芯片已經獲得快速發展,這是否會讓我們實現彎道超車?王中風認爲目前人工智能芯片更多的是起到優化現有應用的作用,主要應用在兩個層面,一是基于微處理器,應用于優化神經網絡計算;二是在人工智能專用領域,如智能監控中的動態識別,可用于危險手勢識別或者跟蹤。在人工智能芯片方面,我國的發展已經位于第一梯隊,但市場總體比重仍然較小。李曉維認爲單純一點的突破不是整體的創新,國內芯片的發展不能僅靠人工智能芯片,並且人工智能也仍有很大的發展空間,目前人工智能在結構上的效率不高,未來可以發展基于神經單元的結構。陳岚則指出,目前芯片技術和産業已經發展成爲體系化網絡,要想實現彎道超車,現有的技術突破不夠,需要有顛覆性的技術。

國家已經爲半導體芯片行業的核心技術發展提供了巨大的扶持資金,商業資本的關注熱度也逐漸升溫,這在一定程度上爲行業發展帶來了機遇。陳岚認爲,更多的人關注這一行業會使人才彙聚進來,利于産出新的成果。李曉維也認爲國家的投入是件利好之事,即便目前國內産業有部分並不是先進工藝,甚至被視爲落後産業的轉移,但也解決了一部分自主生産的問題。不過,王中風也指出有一些問題需要深思,現在已經意識到存在落後工藝,國家層面應該有所統籌,比如該怎樣優化資金分配,將生産、設計等環節中的哪個方面作爲發展重點,怎樣將其中一個做強並帶動其他方面發展?總體來說,不改變持續投入,後續的工作是要解決資金分配的問題。

半導體芯片領域的發展也有必要形成科研和産業的合作發展模式。陳岚指出,在集成電路的設計上,實際是産業界走在了學術界前面,這是一個互相學習的過程。美國的一些大公司會將前期研發中有技術開發風險的工作交給學界去做。國內的大專院校也有責任根據國家科研項目的布置,利用優秀的人力資源爲産業解決問題。李曉維也認爲純粹的探索型研究不投入應用的話,會找不到落腳點,應該有所爲有所不爲,根據産業的需求做一些能夠投入應用的研究工作,應用效果也是檢驗科研成果的一種方式。王中風也認爲學界和産業合作發展是一種雙贏,學界幫助産業解決尖端問題,産業爲學界提供科研經費,而如果産業和學界處于不平衡的發展狀態的話,也會合作不佳,最好的狀態是兩者齊步發展、共生共贏。

电子行业的发展离不开高端人才的培养,各位嘉宾在最后也表达了对青年学子的期望。陈岚表示兴趣是十分重要的,兴趣会促使你去探索,如果喜欢这项事业就一定可以从中找到乐趣。还有很重要的一点是不能浮躁,要脚踏实地去做,要深耕下去就是要学会啃硬骨头。成功不是存折有多少钱,还是创造的价值,并且这个行业被称为“金子堆出来的行业”,进入这行的人,有可能不是富翁,但一定不会是“穷人”。李晓维和王中风都强调了青年学子要立鸿鹄志,李晓维经常鼓励学生“if you can dream it ,you can do it”,鼓励创新,宽容失败。王中风感慨,二十多岁的年轻人其实心智还不成熟,听到周围人说什么行业“来钱快”“上手快”就热衷于哪个行业,但是没有思考自己的人生目标到底是什么。如果目标只是找到工作,那每个人都能轻松达到,但如果把目标再定高一点,立志成为行业的专家,那他的想法和视野也会改变,对这一领域的关注和思考也会更加深入。成为行业专家自然有与之匹配的财富回报,同时也满足了自我实现的需求,而“上手快”的工作也意味着很容易被更年轻的一代所替代,年轻人要尽快明白这一点,毕竟一个国家的终极价值还是人的价值。