集成電路產業綜述

殷佳琪 潘濤

摘? 要：隨著信息技術的不斷發展，現代電子信息產業的支撐越來越離不開集成電路產業，由此衍生出各類終端，如互聯網、大數據、云計算、物聯網、5G通信、AI等一系列產業，在人們生活的各個領域發揮著不可忽視的作用，促使集成電路這一產業成為全球競爭的主流產業。該文詳細闡述了集成電路產業發展動態，分析了對集成電路產業的挑戰因素，并據此提出了行業發展建議。

關鍵詞：信息技術? 集成電路產業? 行業發展? 人工智能

中圖分類號：F426.63? ?文獻標識碼：A

Abstract： With the continuous development of information technology， the support of modern electronic information industry is more and more inseparable from the integrated circuit industry. A series of terminals such as internet， big data， cloud computing， internet of things， 5G communication and AI etc.， have been derived from this. These industries play an important role in all fields of our life and make the integrated circuit industry become the mainstream industry of global competition. This paper expounds the development trend of integrated circuit industry in detail， analyzes the challenge factors to integrated circuit industry， and puts forward some suggestions for industry development.

Key Words： Information technology; Integrated circuit industry; Industry development; Artificial intelligence

1958年第一顆集成電路的誕生，促進了半導體技術的持續發展，使分立電路邁向集成化發展，直至今日，人們的手機、電腦、各類芯片都離不開集成電路產業的發展壯大，所以現代電子信息產業的支撐越來越離不開集成電路產業[1]，這也讓集成電路這一產業成為全球競爭的主流產業。

我國集成電路產業的發展基礎較為薄弱，部分環節不具有核心競爭力，依賴進口情況嚴重，為此很容易遭受外來制裁，受制于人。我國是世界上最大的集成電路消費市場，消費額約占全球一半以上，但自給率卻僅僅只有30%。所以，發展集成電路產業已經到了刻不容緩的地步[2]。隨著近幾年來各方力量的不懈努力，集成電路產業在我國已經呈現迅猛發展的態勢。

然而歸根到底，任何產業的競爭都是人才的競爭。近幾年來，國家相繼發布《國家集成電路產業發展推進綱要》《中國制造2025》《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》[3]等一系列文件及政策大力促進產業發展。建立集成電路一級學科，為企業培養、輸送人才打基礎;設立了相應產業的投資基金，用于支持集成電路全產業鏈的發展;同時，也重點在長三角、珠三角等地區相繼進行產業布局，努力打造集成電路各子產業的高地;2019年財政部和國家稅務局聯合出臺相應稅收減免政策扶持集成電路設計企業和軟件發展，據統計2019年全國集成電路設計企業僅有1 780家，截至2020年底，集成電路設計企業增至2 218家。可見當集成電路產業上升至國家戰略高度時，學校、企業、政府紛紛投身于產業的發展建設中，我國集成電路產業即將面臨輝煌時代。

1 集成電路產業現狀

集成電路按照設計的不同分為模擬、數字以及數模混合三種設計方式，數字集成電路設計又可分成三類：邏輯器件、存儲器、微處理器，而模擬集成電路設計涉及的范圍比較廣泛：放大器、電源管理（DC-DC、AC-DC、LDO等）、射頻、鎖相環等。其中，數字芯片占市場需求量的絕大部分。如圖1所示是集成電路按照設計不同的詳細分類。

集成電路產業總體而言有較高的科技含量，技術壁壘高，如果從產業鏈條劃分，可以大致分為上游芯片設計業、中游芯片制造業和芯片封測業、下游衍生應用。具體分類如圖2所示。其中，芯片設計業主要涉及集成電路設計、版圖設計、半導體器件模型開發等業務，人才門檻高，芯片制造子產業和芯片封測子產業重點需要可靠性評測、儀器設備操作、工藝技能嫻熟的人才。據統計預測，到2022年前后，芯片制造與芯片封裝的人才需求都將超過20萬人，而我國這方面人才比較緊缺。對于集成電路設計的人才培養時間周期較長，需要10～12年，一般需要博士研究生學歷層次才具備自主研發電路能力。芯片研發到量化生產的周期較長，需要2到5年，研發自主芯片設計周期是1～3年，芯片流片一般3個月，主要通過首次流片發現芯片問題，再反復周期會延長，所以這也需要所有集成電路工作人員富有仔細、認真、負責的工作態度。

1.1 上游子產業

集成電路產業鏈的上游端是科技創新的核心，主要包括電路設計和版圖設計，而電路設計又包含數字集成電路設計和模擬集成電路設計。對于整體電路設計而言，我國與世界先進水平還有一定差距，目前正處于追趕的地位。

在模擬芯片中，放大器、比較強、電源類、數據轉換類為通用芯片，在通信、汽車、消費電子以及工業領域芯片為專用芯片。隨著物聯網以及5G技術的發展，我國通信類芯片設計嶄露頭角，以華為和中興企業為首已經具備5G基帶芯片成熟設計能力。2021年8月百度公司宣布昆侖AI芯片實現量產，該芯片設計周期是一年半，并且一次流片成功，芯片適用于云計算和邊緣計算等多場景，未來目標也是將AI芯片應用于自動駕駛、智慧交通等多個應用場景。在便攜式影像芯片領域，vivo歷時24個月自主研發的影像芯片V1已經由vivo X70系列手機首發搭載，在滿足高性能、低延時的同時，還可以降低50%的功耗。可見我國集成電路研發有迅猛發展的趨勢，截至2020年底，我國有16家模擬芯片相關企業已經上市。值得關注的是，在集成電路設計中的EDA軟件工具也是不可忽視的一部分，從軟件的出現，使得一些超大規模集成電路有所依托，設計難度也隨之降低，所以在某種程度上EDA軟件的研發也意味著國家的創新科技能力。而放眼望去，此行業早已被國外企業壟斷，Synopsys、Cadence、Mentor已經形成三足鼎立局面，分別有不同的軟件優勢，我國的高校、企業多數也是用國外軟件設計，每年需要支付高昂的license費用。2021年《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出關注集成電路設計工具的研發，目前在國內，華大九天公司仍然堅持國產EDA軟件的開發，市場占有率較低，與高端軟件還有很大的差距。高性能EDA軟件需要強大的算法和對工藝的掌握，讓企業和學校放棄原有已經熟悉的開發工具也是件任重而道遠的事情。

對于芯片的版圖設計不需要強大的技術攻克，高職類學生經過培訓與技術沉淀也可以做得很好，一般需要先熟悉工藝，從最基礎小模塊著手，經過3～5年時間可以畫頂層模塊。做芯片版圖floorplan的時候，需要考慮很多因素，如芯片面積大小、pad位置、數字模塊位置、模擬模塊位置、走線通道、應力、散熱等。與前端設計者溝通好確認哪些線是有電流密度要求，哪些線是比較敏感，容易受干擾，哪些線要求寄生電阻值特別小以及高速信號線的處理一般不會出現太大問題。

對于數字芯片而言，是市場上需求量最大的芯片，也是我國比較薄弱的區域，在高端數字芯片的設計中一直以美國為首處于壟斷地位，我國在嵌入式Flash工藝、IP以及知識產權等原因受制于人，這些原因使我國與外企還有些差距。在微處理器領域，我國只能著手發展中低端的產品，而且企業與企業之間競爭嚴重，以8位、16位MCU為主流，高端的32位甚至是64位MCU在市場上我國占比幾乎為零。如表1所示是微處理器芯片市場主要品牌份額的占比。其中，中國臺灣新唐科技僅占比4%。但是隨著便攜式電子設備的發展與推動，我國的邏輯器件中移動端芯片迅猛發展，目前部分企業已經具備自主研發的能力。我國龍芯中科于2021年7月發布了自主研發CPU芯片-3A5000，該芯片從頂層架構、指令集到ABI標準都由團隊自主研發，與上一代相比改進了制造工藝并降低了功耗，為我國自主研發CPU開啟了探索之門。隨著大數據、云計算、物聯網等行業的快速發展，推動著存儲器也正面向低功耗、大容量、高可靠性、高速率的步伐前進，然而存儲類芯片早已被日韓美企業壟斷，我國市場占有率極少，還在起步階段。在存儲器領域主流產品目前有以DRAM和SRAM為代表的易失性存儲芯片和Nor Flash和Nand Flash為代表的非易失性存儲芯片。以市場占有率較高的DRAM為例，目前國外先進技術DRAM芯片工藝制程已經發展到10 nm量產階段，而我國只有長鑫存儲雖然可以量產19 nm工藝制成的DRAM，但是良品率只有75%，國外早在2016年就已經達到19 nm工藝制成，落后約五年時間。值得一提的是，我國長鑫存儲是繼三星、SK海力士和美光之后第四個廠商可以生產20 nm以下的DRAM。

1.2 中游子產業

點沙成金的芯片制造環節是芯片實現功能的命脈，在集成電路產業鏈中有舉足輕重的地位。集成電路制造工藝流程大致可以分為：單晶硅片制備-薄膜制備-光刻-刻蝕-離子注入-CMP-晶圓檢測，集成電路產業鏈具體流程如圖3所示，在整個芯片制造過程集中了上百道工序，每一道工序的背后都要考慮加工參數是否滿足設計要求，以及工藝偏差對成品的影響。這既需要強大的資金支持，還需要突破技術壁壘研發集成電路專用設備。據國家統計局對國產集成電路產量的統計，2020年其產量為2614.7塊，主要為中低端芯片。近年來，隨著集成電路下游產業的發展與推進，中低端芯片以及國產芯片產量無法滿足5G、物聯網、大數據、人工智能等領域的需求量。2020年我國進口的集成電路總計高達5 435億塊，總計金額3 500.4億美元。根據IC Insight統計，2020年我國集成電路市場規模為1 434億美元，而由中國大陸公司自主制造的芯片僅僅只有83億美元，當然這一數據不包含部分國內設計公司自主研發芯片找國外代工廠制造的情況，目前還遠低于2020年國務院印發的《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》中2025年中國芯片自給率為70%的目標。這些數據可見我國自產芯片無法滿足日常芯片的需求，但是芯片制造業并非可以一蹴而就，需要專業人才以及技術積累。隨著信息技術發展以及用戶需求的擴大，必然導致芯片設計更加復雜，再加之芯片工藝的不斷推進，制造業的技術壁壘愈來愈高，我國對于集成電路產業起步較晚，尤其是制造業的專用設備以及專用材料長期依賴進口導致我國發展高端集成電路處于弱勢地位。

從基礎的加工制造能力上看，臺積電保持最先進的制造能力，目前正在測試3 nm工藝制程，5 nm和7 nm工藝制程僅有臺積電和三星半導體兩家公司，10 nm工藝制程有臺積電、三星半導體、英特爾三家公司[4]可以實現商業化，我國大陸最先進的芯片工藝制程是中芯國際的14 nm工藝，良品率高達95%，上海華虹2021年剛剛達到14 nm量產的水平。

集成電路的封裝測試環節最接近下游的衍生應用，直接影響產品的質量，這一環節是唯一與世界先進水平差距較小的環節，也是我國最早發展集成電路產業的環節。從前十名封測廠營收排名上看，中國大陸企業有三家，分別是長電科技、通富微電、華天科技[5]，2020年營收規模市占率分別為：11.96%、5.05%、3.93%。當前，中國封測業以中低端的傳統封裝技術為主，隨著集成電路下游產業的發展與推動，對于芯片的封測要求也逐步迎合現代電路小型化、復雜化和集成化，目前高端封裝技術有SOC（系統級單芯片封裝）、FC（倒裝焊封裝）、TSV（晶圓級系統封裝-硅通孔）、3D（三維立體封裝）等。根據我國半導體行業2020年我國IC封裝市場規模為2 478億元，而IC先進封裝市場規模僅為328億元，占比13.26%，我國還需在先進封裝領域加強技術革新。

2 集成電路危機與挑戰

在中國近年來大力發展集成電路產業的推進下，中低端產品基本實現國產化，但是對于生產高端產品，我國目前還在起步探索階段階段，尤其是制備環節，集成電路專用材料、專用設備受制于人，在制備高端芯片的過程中，需要上百道工序，而其中的材料、設備是制約芯片良品的關鍵因素，這些因素導致開發高端產品難度提升。在2017年印發的《“十三五”先進制造技術領域科技創新專項規劃》（后文簡稱“十三五”規劃）中明確指出要重點研發12英寸硅片、深紫外光刻膠、拋光材料以及濺射靶材。

2.1 專用材料

2.1.1 大尺寸硅片的生產

硅片是制備芯片的核心材料之一，但是由于我國發展集成電路產業較晚，高純度、大尺寸硅片的制備仍然是我國的短板。大尺寸硅片面積更大，可以降低成本，并且邊緣芯片少，利用率更高，所以目前市場的主流硅片尺寸是12英寸，全球12英寸硅片的制備占比所有硅片制備已經達到65%，而我國在2017年以前對12英寸硅片制備是完全空白，至今有多家廠商可以制備12英寸硅片，但是國產化率較低，對于12英寸硅片大多數還依賴于進口，8英寸硅片可以自主生產，基本滿足國內需求[6]。6英寸以下硅片，其對應的中斷產品也是面向中低端。而12英寸硅片面向的終端產品是智能手機、平板、服務器一些高端領域，根據SUMCO統計，單個5G手機硅片面積的需求量要比單個4G手機硅片面積需求量高70%，所以研發大尺寸硅片并實現量產是刻不容緩的。

2.1.2 光刻膠國產化的推進

光刻膠是影響光刻效果的重要半導體核心化學材料，經過一系列光刻工藝將掩模版圖形轉移到基片上。光刻膠的應用場景主要是半導體芯片制備、PCB和LCD上，國產的光刻膠目前大多數走中低端路線，只能滿足應用在PCB上，而對于半導體芯片制備的高端方面國產化率僅為1%，嚴重依賴進口。高端光刻膠基本被日企壟斷。2019年日本對韓限制出口高端光刻膠，使韓國嚴重被“卡脖子”，尤其現在處于政治敏感期，我國也居安思危著力研發高端光刻膠。但是研發高端光刻膠主要是受知識產權影響和高端設備的限制，研發高端光刻膠首先要有匹配的高端光刻機，其次是原材料、配方壁壘，種種因素導致高端光刻膠市場比例不高。KrF、ArF、EUV光刻機屬于高端產品，不同等級的光刻機還需要不同分辨率的光刻膠與之協調工作。目前，著重于光刻膠研發有蘇州瑞紅、北京科華、南大光電，蘇州瑞紅研發的KrF光刻膠基本達到技術要求并得到產品認證，ArF光刻膠正在研制;北京科華KrF光刻膠已經量產，干式ArF光刻膠已經通過產品認證;南大光電的干式ArF光刻膠也通過產品認證。目前我國對于最高端的EUV光刻膠還沒有研制。

2.1.3 CMP工藝耗材

CPM是一種納米級別的全局平坦化加工技術，在集成電路的制造環節需要多次應用，隨著工藝的進步，器件特征尺寸的減小，集成電路制備的工序也會更加煩瑣，例如：7 nm的數字芯片制造過程中所需拋光次數達到三十多次，可見CMP耗材使用是隨著工藝進步而增加。其對應的耗材主要有拋光墊和拋光液，而我國使用的拋光墊全部依賴進口，為避免被“卡脖子”，我國自主研發CMP工藝耗材有重大意義。

2.2 專用設備

在集成電路上百道制造工藝中，集成電路制備的設備顯得尤為重要，尤其自產業發展以來一直遵循“一代設備、一代工藝、一代產品”[7]，所以設備、工藝、產品之間的關系是密不可分，隨著摩爾定律所逼近的極限，研發高端集成電路的專用設備就成了炙手可熱的事情。目前，我國對清洗刻蝕設備、熱處理、PVD、CVD、CMP設備都可以實現國產化，但是對于高端光刻機卻嚴重依賴于進口。尤其ASML公司幾乎壟斷高端EUV光刻機，EUV光刻機是生產7 nm以下芯片的必備設備，而美國向ASML公司提供制備EUV光刻機的光源和計量設備，所以美國對ASML公司銷售占有一定話語權，受美國影響ASML公司不能對我國企業銷售EUV光刻機，這嚴重影響著我國制備高端芯片進程。但是我國對DUV光刻機并未受到限制，中芯國際利用DUV光刻機已經研制出14 nm工藝制程，對我國半導體制備行業有很大幫助。我國的制備光刻機的先進企業是上海微電子，可以制備28 nm光刻機，離最先進的5 nm工藝制程還有很大差距。

3 產業發展建議

依托先進制造產業的背景，以培養高素質的研究型、技能型人才為根本出發點，以“校企共建”為建設模式，打造以集成電路產業為主體、集成電路教育和電子信息教育為兩翼的“一體兩翼”格局，從IC電路設計、芯片制造、芯片封裝到成品測試，通過行業企業和學校結合，實現合作育人的目標。在甘肅省集成電路人才需求分析的基礎上，從適應集成電路產業發展出發，根據企業的崗位需求調整課程設置，重構課程模塊，改進教學方法，創造和企業真實情況相結合的實踐環境。以該省集成電路企業為核心，輻射周圍集成電路企業，建立長期的合作機制。一方面，企業導師進校親臨指導知識實踐;另一方面，建立長期有效的實踐技能合作，使學生在學習知識的同時通過長短期企業實習進行實踐技能的練習，進一步感受集成電路實踐應用，提高知識技能;同時，多角度、多方位全面進行師資培訓，更新教師的教學理念和教學方式，更新集成電路產業先進的知識，使教師能及時將先進的知識傳授給學生。與企業專家一起對集成電路課程體系重構，選擇合適的產線產品案例，分解重構形成教學案例，定制和開發適合學生職業發展的實踐模塊，形成理實一體的教學資源庫。在保證課程體系的針對性和整體性的前提下，形成特色教材。

解決人才緊缺，引進集成電路行業的高層次人才進企業和高校，強化引進人才細則，如：落戶、子女教育、購房補貼、住房補貼、個稅減免、啟動科研基金等方面的落實。

加強技術創新，響應國家政策，研發高端光刻機、離子注入等設備，同時對于設備耗材、EDA軟件也應該同步研發，齊心協力使國產化率提高，徹底改善被“卡脖子”的狀態。

探索建立IDM模式，國內許多半導體公司都是分立的，單純的設計、制造、封測，很少有垂直整合制造（IDM），IDM的建立可以大大縮短設計和制造之間的流程，減少溝通磨合時間，為企業生產產品縮短時間，并且材料、設備自主化，徹底改變受制于人的局面。

加強企業合作，建立企業合作機制，為人才交流、技術合作提供機會，同時企業內部要有合理的晉升空間以及獎勵機制，使人才有奮斗歸屬感。

4 結語

綜上所述，我國發展集成電路產業較遲，目前中低端產品的各個產業鏈可以實現國產化，而對于高端產品從設計、制造到封裝還與世界先進水平有差距。為解決這一問題，國家多次發文鼓勵集成電路產業的全方面發展，目前企業之間正跟進國家政策，大力發展我國的集成電路產業。一些現在需要進口的材料、設備、IP核授權被國產代替也將指日可待。

參考文獻

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