5G半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展和創(chuàng)新趨勢(shì)思考

摘要：5G是引領(lǐng)未來科技發(fā)展的基礎(chǔ)通信技術(shù)，更是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)保障。5G芯片技術(shù)及其行業(yè)發(fā)展將會(huì)是這場(chǎng)科技浪潮的重點(diǎn)。在5G和人工智能（AI）等技術(shù)促進(jìn)設(shè)備連接數(shù)量和規(guī)模爆發(fā)式增長的同時(shí)，人工智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）、新型終端、新能源/無人駕駛汽車等新興領(lǐng)域都對(duì)芯片技術(shù)提出了新的要求。 在傳統(tǒng)摩爾定律下，尺寸微縮逼近物理與經(jīng)濟(jì)極限，新型器件、先進(jìn)封裝、第3代半導(dǎo)體等新技術(shù)和新材料將引領(lǐng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)走向新的產(chǎn)業(yè)格局。

關(guān)鍵詞：5G；芯片；創(chuàng)新機(jī)遇

Abstract： 5G is the basic communication technology leading the future development of science and technology， as well as the basic guarantee of economic and social development. 5G chip technology and its industry development will be the focus of this wave of science and technology. While 5G， artificial intelligence （AI） and other technologies promote the explosive growth of the number and scale of device connections， emerging fields such as artificial intelligence Internet of Things （AIoT）， new terminals， new energy/ driverless vehicles all put forward new requirements for chips. With the traditional Moores Law， size reducion is approaching the physical and economic limits. New technologies and new materials such as new devices， advanced packaging， and third generation semiconductors will lead the semiconductor industry to a new industrial pattern.

Keywords： 5G； chip； innovation opportunity

1 5G促進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)升級(jí)

2020年4月，在中國國家發(fā)展和改革委員會(huì)的新聞發(fā)布會(huì)上，“新基建”的范圍首次被明確。作為新基建七大領(lǐng)域之首，5G在拉動(dòng)投資、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、培育經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動(dòng)能等方面潛力巨大，未來將為新基建提供強(qiáng)大的智能引擎。

目前，5G正進(jìn)入加速發(fā)展期。全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)（GSMA）的最新報(bào)告顯示，全球已有47個(gè)國家發(fā)布106張5G商用網(wǎng)絡(luò)，有409家全球運(yùn)營商投資5G網(wǎng)絡(luò)。中國的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)位于全球前列。截至目前，中國累計(jì)建設(shè)的5G基站數(shù)量超過71.8萬個(gè)，占全球基站總數(shù)的70%。權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2025年中國將會(huì)有8.07億個(gè)智能終端和80億個(gè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）連接，通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)將迎來新一輪發(fā)展契機(jī)。

GSMA最新發(fā)布的《2021年全球移動(dòng)經(jīng)濟(jì)報(bào)告》顯示，到2025年底，5G連接數(shù)量將達(dá)到18億個(gè)，約占移動(dòng)連接總數(shù)的20%。

通信產(chǎn)業(yè)每10年發(fā)展一代。相比于2G、3G和4G，5G擁有三大業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，并且業(yè)務(wù)需求已發(fā)生重大變化[1]。5G將深入各行各業(yè)，進(jìn)一步解決物與物的聯(lián)接問題，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。新需求帶來端到端技術(shù)的變革，通信芯片將面臨新的挑戰(zhàn)。

（1）數(shù)據(jù)規(guī)模急劇增長

5G催生海量數(shù)據(jù)，需要提升計(jì)算力，釋放數(shù)據(jù)價(jià)值。5G海量物聯(lián)網(wǎng)的感知層、連接速率的提升和時(shí)延的降低，都將極大地驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)量增長。因此，通信芯片除了要具備通信功能外，還需要擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力，以滿足云網(wǎng)融合下網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)深刻變革的需求。在“多系統(tǒng)、多場(chǎng)景、多業(yè)務(wù)”的云網(wǎng)業(yè)務(wù)需求和技術(shù)創(chuàng)新并行驅(qū)動(dòng)下，云和網(wǎng)高度協(xié)同，互相支撐。在此背景下，云計(jì)算向著集中化和邊緣計(jì)算兩個(gè)方向發(fā)展，中心云向著通用化、更強(qiáng)的計(jì)算能力和人工智能（AI）訓(xùn)練能力方向發(fā)展，邊緣云則向著領(lǐng)域定制、更高的能效和AI推理能力方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)能力架構(gòu)需要以計(jì)算和聯(lián)接為核心，這對(duì)通信芯片提出更高的智能化計(jì)算需求[2]。

（2）芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度不斷增加

以基帶芯片為例，5G通過復(fù)雜的編碼來實(shí)現(xiàn)頻譜利用率的提升。多通道、高頻率和大帶寬共同推動(dòng)數(shù)據(jù)吞吐量的增加。基帶芯片需要應(yīng)對(duì)5G多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景，兼顧低功耗訴求。這些都使得芯片設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜。

（3）上游芯片供應(yīng)鏈面臨挑戰(zhàn)

受益于5G網(wǎng)絡(luò)，射頻前端模擬器件、面向邊緣計(jì)算的高性能處理器和光器件都具有廣闊的發(fā)展前景。然而，目前上游芯片供應(yīng)鏈多樣化的供應(yīng)能力有待加強(qiáng)。部分中國廠家雖然已經(jīng)具備一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，但是在產(chǎn)業(yè)規(guī)模商用和性能提升方面仍需要做進(jìn)一步努力。

2 半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)

由于摩爾定律效應(yīng)正在放緩，為了延續(xù)指數(shù)級(jí)的進(jìn)化，業(yè)界和學(xué)界都做出大量嘗試。具體來看，架構(gòu)設(shè)計(jì)更注重系統(tǒng)層面優(yōu)化和單位面積效能提升。系統(tǒng)廠家注重垂直整合，并通過系統(tǒng)集成芯片來獲取發(fā)展新動(dòng)能，例如片上系統(tǒng)（SoC）和系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）。晶體管微縮在未來5年內(nèi)仍將持續(xù)。新材料、新封裝技術(shù)的發(fā)展，為摩爾定律的延續(xù)開辟了另一條道路。

晶體管微縮接近極限，驅(qū)動(dòng)業(yè)界尋找其他路徑。目前，最先進(jìn)的5 nm工藝制程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。為持續(xù)發(fā)展先進(jìn)制程并給產(chǎn)業(yè)發(fā)展增添信心，在進(jìn)入3 nm工藝制程后，全新的全環(huán)繞柵極（GAA）晶體管將替代鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET），以解決制造難題，推動(dòng)晶體管持續(xù)微縮。同時(shí)，設(shè)計(jì)工藝協(xié)同優(yōu)化（DTCO）、系統(tǒng)工藝協(xié)同優(yōu)化（STCO）等協(xié)同技術(shù)的引入，使得摩爾定律效應(yīng)在未來5年仍得以延續(xù)。

然而，有數(shù)據(jù)顯示，先進(jìn)工藝達(dá)到28 nm以后，將進(jìn)入一個(gè)新的拐點(diǎn)：設(shè)計(jì)費(fèi)用和單位芯片成本不降反升。一個(gè)5 nm工藝SoC芯片的設(shè)計(jì)費(fèi)用，是16 nm工藝SoC芯片設(shè)計(jì)費(fèi)用的5倍。高昂的設(shè)計(jì)費(fèi)用和低良率問題，驅(qū)動(dòng)著行業(yè)尋找其他路徑。

高級(jí)封裝技術(shù)將成為性能和成本持續(xù)優(yōu)化的另一創(chuàng)新路徑。靈活性和性價(jià)比也是芯片設(shè)計(jì)的重要考量因素，因此Chiplet方案獲得廣泛關(guān)注。Chiplet是將一塊大的單芯片拆分為多個(gè)小芯片，再通過高級(jí)封裝進(jìn)行重組。它的優(yōu)勢(shì)是靈活性高、綜合成本低。不同功能的Die可以選擇不同的制造工藝。這種方案的Die良率更高，并且可以通過Die組合來滿足不同市場(chǎng)需求。結(jié)合Chiplet方案，2.5D/3D高級(jí)封裝技術(shù)的快速發(fā)展，將為芯片設(shè)計(jì)打開一扇新大門。

SoC架構(gòu)的創(chuàng)新對(duì)芯片性能的提升起到關(guān)鍵作用。在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師們需要在靈活性（可編程）和高效性（專用）之間做權(quán)衡。在多個(gè)異構(gòu)處理單元組成的SoC中，領(lǐng)域定制SoC（DSSoC）方法有助于提升系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)行效率。DSSoC架構(gòu)設(shè)計(jì)的五大技術(shù)目標(biāo)包括：（1）感知計(jì)算資源和應(yīng)用程序指令，跟蹤芯片間和芯片內(nèi)數(shù)據(jù)的智能調(diào)度；（2）采用完整、統(tǒng)一的工具鏈，提升編程效率；（3）完成應(yīng)用到計(jì)算單元、內(nèi)存的最優(yōu)映射；（4）在計(jì)算單元之間構(gòu)建低功耗、低延時(shí)的通信網(wǎng)絡(luò)；（5）快速集成異構(gòu)的計(jì)算單元。

3 企業(yè)應(yīng)對(duì)策略

創(chuàng)新是根本，并推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)。受益于5G行業(yè)市場(chǎng)的迅速發(fā)展，如物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能制造等，芯片的重要性日益凸顯，相關(guān)領(lǐng)域?qū)π酒男枨髮?shí)現(xiàn)突破性增長。芯片技術(shù)是5G技術(shù)的核心。對(duì)此，中興通訊堅(jiān)持以產(chǎn)品為中心，聚焦核心技術(shù)創(chuàng)新，提升產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)集成電路（IC）能力；聚焦產(chǎn)品應(yīng)用，借助中國通信產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)地位發(fā)揮高水平系統(tǒng)技術(shù)能力；以龍頭企業(yè)在系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建開放式協(xié)同創(chuàng)新模式，聯(lián)動(dòng)上下游多路徑發(fā)展。中興通訊一方面積極參與國際科技合作，采用業(yè)界先進(jìn)技術(shù)持續(xù)提升競(jìng)爭(zhēng)力；另一方面把握半導(dǎo)體技術(shù)由先進(jìn)工藝轉(zhuǎn)向先進(jìn)封裝/架構(gòu)的技術(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在成熟工藝上通過系統(tǒng)廠家的架構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)發(fā)展新生態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1] 嚴(yán)斌峰， 袁曉靜， 胡博. 5G技術(shù)發(fā)展與行業(yè)應(yīng)用探討 [J]. 中興通訊技術(shù)， 2019， 25（6）： 34-41. DOI： 10.12142/ZTETJ.201906006

[2] 王健， 鄭爽， 曹曉平. 智能硅基多維復(fù)用與處理芯片 [J]. 中興通訊技術(shù)， 2020， 26（2）： 51-63. DOI： 10.12142/ZTETJ.202002008

作者簡介

劉新陽，深圳市中興微電子技術(shù)有限公司副總經(jīng)理、中國通信學(xué)會(huì)通信專用集成電路委員會(huì)副主任委員、中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)集成電路設(shè)計(jì)分會(huì)理事會(huì)理事、集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事會(huì)理事，曾任中興通訊股份有限公司硬件研究所副所長、微電子研究院副院長、手機(jī)終端整體解決方案產(chǎn)品線產(chǎn)品總經(jīng)理；主要從事戰(zhàn)略和技術(shù)規(guī)劃、公共事務(wù)工作；擁有20余年通信集成電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，曾主持多個(gè)重大產(chǎn)品的研發(fā)項(xiàng)目，并完成產(chǎn)品的商用和批量交付。