欧洲发力冲刺2nm芯片研发 中国芯片将如何发展?

2021-03-12 11:00

  据彭博社报道,昨日,欧盟委员会正式发布《2030数字指南针(2030 Digital Compass)》规划书,为未来10年的半导体产业发展提出了最新目标。

  这份长达27页的文件中明确写道:

  截止到2030年,欧洲先进和可持续半导体的生产总值将至少占全球生产总值的20%,攻克2nm工艺,能效至少翻10倍。

  欧盟对2nm工艺的野心早已不是第一次显露。此前已有媒体报道 ,欧盟欲联合19个欧洲国家打造超级晶圆代工厂,研发2nm先进制程。

中国造芯片计划

  此次规划书的出台,无疑是在加速启动2nm计划。欧盟在文件中表示,提出这一目标是为了减少欧洲对非欧盟关键基础技术,以及少数大型科技公司的依赖,以确保“数字主权”。

  欧盟“芯片工艺”陷入困境

  芯片制程经历将近70多年的发展,在摩尔定律的规律下,已经从最初的微米级发展到纳米级。如果将28nm作为先进制程的分界点,那么我们已经引来了先进制程竞争的世界,国际领先的代工厂的竞争已经从14nm延伸到7nm、5nm。

  雷锋网此前报道,全球最大的芯片厂商台积电、三星均已实现7nm、5nm量产,高通骁龙888、苹果A14等手机芯片均已用上5nm芯片。拥有自己代工厂的英特尔经历了10nm延期后,正努力攻克7nm,而欧洲最大的晶圆代工厂GF(GlobalFoundries,格罗方德),还主要停留在14nm工艺。

  此前GF也有意向7nm进军,曾宣布将在2020年第四季度推出7nm工艺首批芯片,但囿于无法解决芯片烧钱的难题,不得已宣布放弃这一计划。而芯片先进制程的投入与产出不成正比也正是整个欧洲芯片市场普遍面临的难题。

  GF与三星、台积电并称为全球晶圆代工厂中拥有尖端工艺的三驾马车,但从先进制程的进度来看,以GF为代表的欧洲市场已经被远远甩在了后面。

  此外,不仅仅是落后于台积电与三星,相比于大陆晶圆代工厂,欧洲市场也稍逊一筹。最新消息显示,中国大陆晶圆代工厂中芯国际在14nm制程工艺的产品良率上已追平台积电同等工艺,水准达约90%-95%。且各制程产能满载,部分成熟工艺订单已排至2022年。

  在竞争如此激烈的市场环境下,欧盟加大力度提升芯片制程似乎已是迫在眉睫之事。

  值得注意的是,在半导体领域,当下的欧洲还面临着缺少大型晶圆代工厂的窘境。如台积电、三星、SK海士力、英特尔等著名厂商所属晶圆厂没有一家位于欧洲。

  另外,其本土的半导体厂商,作为全球十大半导体厂商之一的恩智浦半导体(NXP Semiconductors)、英飞凌科技(Infineon Technologies),其大部分生产已经被外包出去。

  据了解,欧洲目前有三家本土芯片制造商,采用的都是轻晶圆厂(Fab Lite)和小批量生产的模式。

  押注2nm,扭转芯片产业局势

  近20年来,欧洲曾多次尝试提升芯片制造能力,但效果并不理想。

  据了解,80年代中期,欧盟曾支持恩智浦和英飞凌实现制程工艺跨世代,但后因结果未达到预期选择了外包模式。

  2012年,欧盟负责数字议程的委员Neelie Kroes曾提出“芯片空中客车(Airbus of chips)”议程,欲耗资100亿欧元,联合企业、地区和欧洲利益联合打造最新先进的晶圆代工厂。然而,各大芯片制造商却对此表示毫无兴趣。

  直到2020年,随着全球芯片供应链出现中断,芯片荒加剧,欧盟各国不得不加大对半导体产业发展的扶持力度,以摆脱美国和亚洲厂商的依赖,提升自主研发和生产的能力。

  据悉,2020年12月,欧盟已联合荷兰、法国、芬兰等19个欧洲国家共同签署了一份《欧洲处理器和半导体科技计划联合声明》,并首次宣称将着力攻克2nm工艺。

  声明中显示,欧盟计划斥资500亿欧元打造一座先进的半导体工厂,以生产10nm制程以下的半导体。截止目前,该联盟的投资总额已超过了11000亿元。

  近日,欧盟正式出台《2030数字指南针:数字十年的欧洲方式(2030 Digital Compass: the European way for the Digital Decade)》,旨在推动将其数字目标转化为现实。

  在规划书中,欧盟明确指出芯片对于联网汽车、智能手机、物联网、高性能计算、边缘计算和人工智能等多个领域至关重要。

  攻克2nm工艺前路几何?

  欧盟各国报团取暖,联和助力芯片产业发展,多少有些势在必得之势。那么十年之后,欧盟是否真的能够攻克2nm技术,并且实现量产。这一点我们可以从5nm工艺上窥见一二。

  自台积电实现5nm量产之后,各家手机芯片厂商就开始了激烈的5nm芯片角逐,苹果、华为、高通、三星相继推出旗舰级5nm移动处理器,并宣称无论是在性能上还是在功耗上都有着优秀的表现。

  但事实上,这几款5nm手机芯片的表现并没有达到预期,并遭遇了一场集体“翻车”。

  不少数码评测博主指出,首发骁龙888的小米11性能提升有限,功耗直接上升,其原因在于三星代工的5nm工艺制程不成熟。

  雷锋网了解到,对于此类现象,Moortec首席技术官Oliver King曾表示:“当我们从7nm升级到5nm时,处理器速度有了很大的提高,但漏电流也下降得比较快,几乎与28nm水平相同,我们不得不去平衡他们。”

  因此,行业内将低功耗设计视为芯片行业需要解决的问题之一。而不成熟的设计与制造会影响性能与功耗的最大化折中,因此如何平衡先进节点下芯片的性能、功耗与面积(PPA),也是芯片设计与制造的挑战。

  更尴尬的是,无论是芯片设计厂商还是芯片制造厂商,想要达到5nm、2nm等先进制程,除了需要打破技术上的瓶颈,还需要有巨大的资本作为支撑,熬过研发周期和测试周期,才可能看见收益。

  根据市场研究机构International Business Strategies (IBS)给出的数据显示,65nm 工艺时的设计成本只需要0.24亿美元,到了28nm工艺时需要0.629亿美元,7nm和5nm成本急速增长,5nm设计成本达到4.76亿美元。

  如前所述,GF晶圆代工厂便是出于经济考虑,于2018年宣布搁置7nm 项目,将资源回归12nm/14nm 上。此外,就连实力强大的英特尔也在10nm、7nm的研发过程中多次受阻。

  最后从时间节点来看,当前的芯片巨头台积电,从传统工艺28nm量产,最先进的5nm制程量产,用了整整10年的时间,中间跨越了14nm、12nm、10nm、7nm。其中从7nm到5nm的过渡用了3年。

  因此,以上从技术工艺、经济因素以及研发周期来看,欧盟能否攻克2nm技术尚为可知,但这条路必然阻碍重重。此外,从目前的全球产业局势,以及其自身的产业现状来看,欧盟也只能选择迎难而上。

  中国制造新选择

  毋庸置疑,欧盟的新十年目标旨在打破美国在半导体领域的垄断地位,实现芯片自产可控。

  而从更大范围来讲,欧盟晶圆代工厂若能够在2030年实现2nm工艺,并拿下全球20%的芯片产能,这对全球半导体企业来说都是一个好消息,尤其是中国企业。

  在全球半导体产业中,美国占据了接近50%的市场份额,大部分晶圆代工厂的先进技术都与美企有关。然而自去年开始,美国商务部针对中国下达多项芯片禁令,限制其相关技术和产品在中国市场的交易。

  如我们所见,在禁令的影响下,我国与芯片相关的企业和产业均受到了不同程度的影响,其中影响最为显著的是手机行业。如自台积电断供华为后,华为不得不出售了荣耀手机业务;小米高管近日在个人微博上表示:今年的芯片,极缺。

  其次就是汽车制造行业,受全球芯片短缺影响,大部分车企或降低产能或停工停产。以上,究其原因主要是由美国芯片禁令引起全球供应链失调所致。

  我国是芯片进出口大国,每年的交易金额超过了3000亿美元。如果欧盟在10nm以下制程不断取得新突破,甚至最终拿下2nm制程,这对于国内众多芯片需求商来说,无疑是一个新选择,也是一个更好的选择。

  当然,想要从根本上解决芯片卡脖子的问题,还要着眼自身,提高“造血”能力。

  中国芯片将如何发展?

  “回顾历史,中国在某些芯片技术发展道路上所下的气力不可谓不大,投入的资金不可谓不多,也取得了一定的成效,但由于缺少自主标准和应用环境,没有形成芯片垂直域整体创新,以至后期发展乏力,始终处于‘跟跑’状态。”今年全国两会期间,全国政协委员、中国工程院院士邓中翰就芯片自主创新问题提出建议,希望通过标准引领实现芯片自主创新和“垂直域创新”,在关键核心领域实现重大突破。

  加大对芯片标准和“垂直域创新”的重视

  邓中翰在接受记者采访时称,以标准带动应用,以应用催生市场,从市场创造需求,再由需求引导技术创新与进步,构建起完备的“垂直域”生态圈,这是国际芯片巨头实现技术领先和市场垄断的“铁律”。他举例称,高通通过建立CDMA标准,掌握有27%的CDMA专利,从而一举垄断了全球92%以上的CDMA市场,高通芯片也因此得到巨量发展,英特尔CPU也是这样发展起来的。

  因此,邓中翰建议,在重视支持芯片研发的同时,着力加大对相关标准和对芯片“垂直域创新”的重视与支持,不断挖掘出芯片新赛道和应用新领域。

  “通过加大对芯片产业链和生态圈的支持与培育,逐步引导芯片垂直领域标准化和规模化发展,最终建立起强有力的生态体系,这样发展起来的芯片才能够真正自主可控和保障中国信息产业长期发展。同时,芯片本身技术也能不断得以提升,使核心技术可以持续创新并保持旺盛的活力。”邓中翰表示。

  进一步支持集成电路企业在科创板上市

  今年政府工作报告提出,“促进科技创新与实体经济深度融合,更好发挥创新驱动发展作用。”邓中翰认为,集成电路产业是支撑经济社会发展的战略性、基础性、先导性产业,也是中国当前需要重点突破的“卡脖子”领域,要通过投融资的精准模式支持集成电路产业创新发展。

  近几年,中国集成电路产业发展驶入快车道,年均增长率超过20%,2020年中国集成电路产业销售收入达8848亿元。邓中翰表示,虽然产业发展速度很快,但企业的投融资瓶颈一直存在,在一些关键核心芯片、重要加工设备方面还存在着比较大“卡脖子”问题。

  近年来,国家研究出台了多项支持企业创新发展的政策措施,特别是2014年专门成立了国家集成电路产业投资基金,2019年7月又在资本市场开通了科创板。邓中翰认为,上述举措,对推进解决中国集成电路产业创新发展的资金难题发挥了重要作用。

  为更精准支持集成电路产业创新发展,进一步解决核心技术“卡脖子”问题,邓中翰建议,国家积极指导“国家队”相关产业投资基金,协同配合国家集成电路产业二期投资基金,继续加大对集成电路产业的投资支持力度。在投资支持对象上特别要向有国家战略需求、国家标准支撑、自主知识产权等具有垂直域创新和应用的重要领域倾斜。

  此外,邓中翰还建议进一步支持集成电路企业在科创板上市。“集成电路产业是星辰大海,正面临一个前所未有的发展机遇,中国不断涌现出产业链成熟、发展前景好的集成电路企业,建议科创板开设绿色通道,加快上市审核进程。同时通过上市集成电路企业的带动和示范作用,尽快将科创板打造成为中国的‘纳斯达克’和核心技术人才的高地。”邓中翰称。

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