魏少军:强化设计工艺协同,提升供应链安全

4月18日,第25届中国集成电路制造年会暨供应链创新发展大会在广州举行。中国半导体行协会设计分会理事长,中国集成电路创新联盟常务副理事长,国家科技重大专项01专项技术总师魏少军发表了以《强化设计工艺协同,提升供应链安全》为主题的演讲,介绍了半导体的全球供应链诞生、产业模式变迁、供应链碎片化趋势,并给出了中国如何构建强壮的半导体供应链的一些思考。

魏少军:强化设计工艺协同,提升供应链安全

半导体全球供应链的诞生

魏少军教授首先从移动通信标准的演进和统一作为切入点,介绍了半导体全球供应链的诞生。

早在上世纪90年代,国内就引进了国际上的模拟通讯,后来从模拟转向数字,出现了GSM、CDMA。到世纪之交时,转入了第三代通信技术。之后通信领域的标准三足鼎立,中国成为了一个重要的玩家(拥有了自己的TD-SCDMA标准)。但是,移动通信领域中不是标准越多越好,而是标准统一最好,否则不可能实现全球的漫游,因此3G是一个非常短的过渡过程,行业很快就实现了统一。到第五代移动通信技术,真正实现上第一次全球通信的统一,这一趋势也将延续到第六代。

魏少军教授说到:“有一点我们可以确认,如果移动通讯的标准出现碎片化,那就不可能有全球通的移动通信,所以想让大家从一个全球漫游、全国移动的通讯倒退回去,这是逆历史潮流而动。”

随着移动通信技术标准的演进统一,促进了产品技术趋向统一。特别在2000年之后,以互联网技术和移动通信技术相结合的移动互联网技术为代表的信息技术产业崛起,推动着全球经济的高速发展。

标准统一、产品技术统一促进了全球供应链和产业的全球化,而供应链的全球化和产业的全球化也带来了全球经济的繁荣。由此也可以看出“标准的统一实际上是一种规律”。

对于以移动通信技术为代表的电子信息技术产业来说,离不开集成电路。首先,摩尔定律作为规律,几十年来一直是行业的指引,而过去四十年有很多产品实体消失了,但“芯片+软件”实现了众多应用。魏少军表示:“半导体芯片能够参与竞争的任何其他技术最终都不可避免将成为失败者”。

比如,在移动互联网发展的过程中,出现了像Arm处理器+安卓系统或者Arm处理器+iOS系统之类的产品技术的统一;此外,个人电脑方面,由于英特尔的CPU占有主导地位,加上微软的Windows操作系统,也同样形成了统一。

从整个半导体产业来看,目前美国、欧洲、日本、韩国、中国大陆和中国台湾是全球半导体产业的聚集地,占据了全球95%的产能、近乎100%的产品和98%的市场。同时,美国、欧洲、日本和韩国也是半导体制造设备和材料的主要生产地,也是全球半导体供应链上的关键角色。半导体产业已经实现了彻底的全球化,这不仅体现在生产上,更体现在贸易上。

例如,一款美国设计的移动通信终端芯片在中国台湾完成芯片生产,并在马来西亚完成封装测试,然后卖到大陆,将被中国海关认定为是马来西亚出口到中国的集成电路产品。如果该芯片在中国大陆封装测试,并被卖到美国,美国海关则认定为是中国出口到美国的集成电路产品。

也就是说,产业和供应链的全球化是依托于移动通信的发展而产生的。所以如果破坏了已经形成的全球产业链和供应链的全球化,受到最大影响的将是通信行业。当然,并不是为了建立全球供应链而建立供应链,最重要的还是要带来市场的繁荣,带来人民生活水平的提升。供应链和产业链的全球化也确实促进了全球市场的繁荣。

魏少军教授表示,半导体全球供应链的建立,并非一朝一夕就能做到。主要受成本、交期、能力、技术、标准、市场、经济、文化、社会、政治等10大因素影响。不过,这些都是外围因素。全球供应链之所以能够形成,最重要原因的是它能够实现利润的最大化。如果不能实现利润的最大化,任何一个好的模式都不会被人接受。追求利润最大化是企业的天性,在追求利润的大前提下,全球供应链可以实现利润的最大化,这并且不只是一个环节,而是全球供应链各个环节的利润最大化,这就是供应链的全球化具有强大生命力的根本原因。

魏少军认为,在产业链全球化过程中,政府的支持和市场的驱动是非常重要的两个因素,但是根本上还是产业的一种自发行为,需要漫长和艰难的过程。

半导体分工是产业进步

从半导体产业本身来看,过去三十多年来,半导体产业模式也在不断演进。从最开始的IDM模式,逐步演进到Fabless+Foundry的模式,再到Fabless+Foundry Service模式。现在,设计工具、制造、封装、测试都独立出现,可以看到IP和设计服务也成为整个产业链当中的一部分,这个发展过程也是符合客观规律。

亚当斯密在《国富论》的开篇就指出,劳动生产力上最大的进步就是产生了分工,假如没有分工,那么生产力就会停滞不前。所以分工代表了一种产业的进步,尽管今天IDM仍然是主流,但是分工而言,它是非常重要的一种产业进步的手段。

半导体产业模式不断细分的一个非常重要原因,是有一个好的产业全球化的环境。从芯片设计产业来看,这种分工细化带来的重大影响就是,设计和制造之间的关系被大大弱化。这使得芯片设计工程师在工作当中可以集中精力于设计,芯片制造工程师可以集中精力于制造,双方都不用关心对方负责的工作。这是由于产业链上下游之间是可以无缝衔接的,可以直接利用上下游的资源。

如果全球半导体供应链被割裂,那么这个循环是不成立的。魏少军表示:“非常不幸,我们现在碰到的就是这个问题,我们看到的半导体全球供应链正在经历一个大变局。”

中国需要构建强壮的半导体供应链

自2019年中美贸易战爆发以来,美国持续将半导体技术作为打压中国科技产业发展的重要“武器”,不断加码对于中国半导体产业的制裁,并不断拉拢荷兰、日本、韩国等半导体强国,试图将中国排除出原有全球半导体供应链体系,进而打造出一个全新的以美国为主导的半导体供应链体系。

在此次的会议上,魏少军教授也表示:目前违背客观规律的事情正在发生,现在半导体全球产业链正在遭到破坏。某些国家对中国企业的打压,部分是由于他们去工业化造成的内部空心化状态现在要调整。这部分国家想把中国排除在全球半导体供应链之外,无论是四方联盟还是三国达成的某些协议,都是是违背全球供应链发展规律的。

这个做法实际上已经造成了很大的影响,即便是美国的盟国中也有一些国家担心自己被孤立化、被边缘化。这意味着好不容易建立起的全球供应链,很可能面临着走向碎片化的现象。

面对半导体全球供应链走向碎片化的这种情况,魏少军教授表示,中国需要在努力维护现行半导体全球供应链完整性的同时,构建一个强壮的半导体本地供应链,这已经是刻不容缓了。除了装备、材料的本地化外,强化设计与工艺的协同是提升供应链安全的重要任务。”

一方面,要坚信中国已经走在了自立自强的正确道路上。中国作为世界工厂、全球最大市场之一的地位短期不会改变(据预测,到2025年中国大陆半导体芯片市场规模将达到2230亿美元)。而且,中国作为全球最大的市场之一,也帮助中国成为了世界工厂。

另一方面,也要意识到中国在高性能芯片制造方面面临的严峻挑战。国内最先进制造工艺为14nm,距离国际最先进制造工艺3nm之间差距约10倍。目前的半导体制造工艺的发展已经是非常成熟,摩尔定律的推进也越来越困难,实现更先进的工艺也越来越困难。因此,一个重要的课题是,国内需要寻找一种不依赖于最先进工艺的,而且能开发出更好的高性能芯片的设计方法。

魏少军教授指出:“(这个问题)我们设计领域反复强调,但是没有引起大家的重视。谁能用不那么先进的工艺做出先进的集成电路,那是高手;都用最先进的集成电路工艺来做一个先进的芯片,那不是高手。”

现在,芯片设计工程师要补工艺的课,需要强化设计工艺协同。过去二十年,中国集成电路设计业虽然已经取得了巨大的进步,已经成长为全球集成电路产业的重要力量,但还存在一些明显的短板,包括:产品定义能力不强;创新不足,尚未摆脱跟随和模仿;产品进步主要依靠工艺技术进步和EDA工具进步;同样的产品性能,需要使用比竞争对手更先进的工艺,而同样的工艺做出的产品,性能往往落后于国外竞争对手;主要采用FOT流程,而不是COT流程,设计公司广泛依赖代工厂提供的PDK,没有能力开发自己的PDK等问题。虽然这些短板在全球化的大背景下,并不构成太大的挑战。但在半导体全球供应链被破坏,出现碎片化的时候,它们就成为致命的挑战。

魏少军教授表示,国内半导体产业需要打造“以产品为中心”的芯片制造新业态。

过去以“生产为中心”的理念,是充分利用自身的能力服务好客户,在自身条件允许的前提下,尽最大努力满足客户的要求。过去芯片制造厂与设计公司之间的关系是单纯的商业委托,通常收获的是采用FOT方式设计产品的客户。

而以“产品为中心”的理念,则是将芯片制造厂的能力和客户的能力有机结合到一起,通过双方的努力围绕客户产品发力,从而让客户满意。芯片制造厂与设计企业之间的关系将是“相互合作模式”,通常将收获的是采用COT方式设计产品的客户。目前,国内大多是以“生产为中心”的模式,要转换向以“产品为中心”的模式。

魏少军教授表示,“信息技术的发展,驱动了全球GDP增长,集成电路则是赋能信息技术。信息技术的发展,催生了半导体全球产业链。半导体产业链的全球化也推动了半导体产业模式的变迁,一方面强化了各个环节的分工合作,但另外一方面也使得设计和工艺之间的联系逐渐弱化。”

中国需要“守正出奇”

除了构建强壮的半导体供应链之外,魏少军教授认为,中国集成电路的发展还需守正出奇。“守正才能出奇,人间正道是沧桑,要遵循产业的规律,出奇就要出奇兵,要有创新。 ”

魏少军教授进一步指出,还有一个奇招,就是软件定义芯片;然后是异质整合的芯片堆叠集成技术,把逻辑电路的晶圆和存储器的晶圆面对面键合在一起,通过三维的混合键合形成一体。在追求超级计算的过程中,人类已经突破了10的18次方的计算,下一个目标就10的21次方的计算。计算需要更好的芯片,国内现在最先进的制造工艺可能也就是14nm,14nm和先进的3nm之间的可能距离还很大。中国又受到制约的背景下,把软件定义芯片的技术和进程计算的这两个技术结合起来也许会有新的奇效,实现所谓叫软件定义的进程计算芯片技术,也许会有令人非常惊喜的结果。

魏少军表示,从技术、生产力、产业链到产业模式,中国一直在做产业的升级。技术从低到高、从劳动密集型转向智力密集型转变,生产力和产业链都往高端走,而西方国家在做产业重建,与中国完全相反。

作为对比,魏少军指出,欧美目前产品都是空心化的状态,而印度有潜力但发展还没有达到实现目标的水平。因此在短期内,也许十年、二十年、五十年,世界还是要看中国怎怎么发展。魏少军分析了中国现在的产业,从沿海地区向中部地区、西部地区逐渐迁移,留下了广大的战略空间。所以违背世界发展的规律、经济发展规律,不断地来打压中国,是不合适的。他最后表示,对中国来讲,受到打压也是客观现象,所以中国半导体需要做的,就是守正,然后出奇。

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