【《集成电路产业的发展与趋势研究》9300字】

第12页共14页第14页共14页集成电路产业的发展与趋势研究摘要本文首先介绍了集成电路的相关概念，和发展历史，随后讨论了集成电路的分类，以此为基础来开启对集成电路产业的认识。随后介绍了集成电路产业的市场状况、产业的重要性及其发展作用，由此对集成电路产业有了进一步的认知。之后通过集成电路的新工艺、新设计、新封装技术三个方面介绍了目前世界上集成电路的最新技术进展，以此对当今集成电路产业有了整体的认知。之后，文章对中国大陆集成电路产业历史进行分析，对现有产业的地理分布进行了分析，最后提出了我国集成电路产业发展面临的问题和挑战。并提出了从引进人才、强化鼓励企业技术创新、加大政策扶持和重视知识产权保护四方面来解决产业发展问题。关键词集成电路产业新技术新发展趋势对策目次TOC\o"1-2"\h\z\u1引言 22集成电路产业总体概述 32.1集成电路的定义 32.2集成电路的发展历史 32.3集成电路分类 02.4集成电路产业的市场状况 02.5集成电路产业的重要性及其发展的作用 23集成电路最新技术进展 23.1集成电路新工艺的发展 23.2集成电路设计新发展 03.3集成电路封装技术新发展 04中国大陆集成电路产业发展概述 04.1中国大陆集成电路产业发展历史 04.2中国大陆集成电路产业的地理分布 14.3中国大陆集成电路产业面临的问题与挑战 25中国大陆集成电路产业战略规划与实施 35.1引进与发展人才 35.2强化鼓励企业技术创新 35.3加大政策扶持，创造良好发展环境 35.4重视知识产权保护 4结论 5致谢 0参考文献 01引言21世纪是信息产业高度发展的世纪，在21世纪，计算机、航天应用、智能家居、消费购物、汽车手机产业、物联网等等，无不依赖着集成电路，第三次工业革命被称作信息革命，信息技术，尤其是计算机的出现称为信息革命的资本，而促进计算机进步的产物便是集成电路，可以说，集成电路的发展才真正是信息革命的资本。无论在哪个国家，集成电路技术都被认为是信息产业的基石，集成电路产业都被很多人认为是信息技术产业的核心，是关系国家安全和社会经济发展的战略基础。因此，世界上致力于发展的国家都会在集成电路产业投入大量资金、人力与物力。因此，就可以分析当今世界上最新的集成电路技术的发展现状，并与我国集成电路产业现状进行分析相结合，从而助力我国集成电路产业的不断发展。2集成电路产业总体概述2.1集成电路的定义在提到集成电路之前，必须要先了解一下作为构成集成电路最基础最重要的元件——半导体，指的是材料的导电性能介于导体和绝缘体之间的一种材料。半导体在测量声、光、热、力、电等基本参数上有着广泛的应用。再说起集成电路，集成电路（integratedcircuit）是一种微型电子器件或零部件。采用一定的工艺（通常是研磨、氧化、扩散、光刻、外延生长、蒸发等一整套技术），把一个电路中所需的电阻、晶体管、电容和电感等元件及布线，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，最后将其封装在一个管壳内，成为具有所需求的电路功能的微型结构；其中所有的元件在结构上已组成一个整体，能够发挥与同等大型电子元器件构成电路的相同作用，集成电路使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化方面迈进了一大步。它在电路中用“IC”表示。集成电路的发明创造者为杰克·基尔比（基于锗（Ge）的集成电路）和罗伯特·诺伊斯（基于硅（Si）的集成电路）。此外，提到集成电路，还要进一步提到摩尔定律，在上世纪中叶，由英特尔创始人之一的戈登·摩尔（GordonMoore）提出，概括其内容为：可组装进集成电路上的晶体管数目大约每经过18个月便会增加一倍。摩尔定律只是经验之谈，并非严谨的科学定律，但正是此定律，准确的预言了20至21世纪晶体管集成电路的发展，直到现在，摩尔定律依旧准确。2.2集成电路的发展历史 作为如此先进复杂的电子元器件，集成电路有着悠久的发展历史，1904年，世界上第一只电子管，被英国物理学家弗莱明发明出来，这一发明代表着人类从此开始进入电子时代，1918年前后，英国物理学家WilliamHenryEccles（威廉·亨利·埃克斯）将1874年整流器这一发明称作二极管，1932年前后，科学家们运用了量子学说创建了能带理论来研究半导体现象，这也为经典工艺所能达到的集成尺寸进行了标注。1946年，硅谷创始人威廉.肖克利所领导的研发小组研发出了半导体晶体管，为集成电路大规模发挥热力奠定了基础。1960年12月，世界上第一块单晶硅半导体集成电路制造成功，为现代工业广泛利用硅材料集成的集成电路奠定了基础。1988年，美国的贝尔实验室，使用较完善的硅外延平面工艺制造成功出世界上第一块公认的大规模集成电路，1997年，300MHz的奔腾i问世，采用0.25UM工艺，奔腾系列芯片的推出让计算机的发展更加迅速；到了2009年，半导体的发展已经进入了新的阶段，intel酷睿i系列全新推出，创纪录的采用了领先的32纳米工艺，并且宣布正在研发下一代的22纳米工艺。2.3集成电路分类 集成电路可以从集成度、结构、制造工艺等多个角度来进行分析，详细分类请见下表1。表1集成电路的分类分类方法分类名称按功能结构分类模拟集成电路数字集成电路数模混合集成电路按制造工艺分类半导体集成电路薄膜集成电路厚膜集成电路按导电类型分类单极型集成电路，如CMOS、PMOS等双极型集成电路，如TTL、ECL等按产品用途分类存储器，主要包括DRAM、SRAM等微处理器，主要包括MPU、MCU等逻辑器件，主要包括ASIC、ASPP等模拟器件，主要包括分立器件、RF等按外形封装分类双列直插封装按集成度高低分类小规模、中规模、大规模、超大规模、特大规模、极大规模集成电路2.4集成电路产业的市场状况集成电路产业拥有资金密集、人才广阔、技术发达的特点。因为集成电路应用在各个领域，具有很大的广泛性，无论是哪个领域的产品，只要涉及到了电子产品，都广泛使用到了集成电路，原本只是成本低廉的电子元器件，经过加工之后，摇身一变成了集成电路，其产品的附加值也大幅提高。因此，集成电路产业在全球范围内的发展态势始终处于上升阶段。从2015~2021这段时间里，工业设备、通信网络、手机等智能终端产品得到了大幅度的发展，由此也造成了全球集成电路市场的需求量将稳步提升，根据世界半导体贸易统计组织统计和预测的数据显示，全球集成电路产业的市场规模发展呈现出周期性发展趋势，其市场规模将会从2015年的3351.68亿美元增长至2020年的4390.00亿美元，在2015~2021年间的复合增长率将达到5.77%，详细见下图1图12015~2021年全球集成电路产业市场规模及预测关于集成电路产业市场在中国的发展，据中国半导体行业协会（CSIA）研究统计，中国集成电路行业市场呈现出稳中向好的发展趋势。我国集成电路市场的规模从2016年的4336亿元增长到了2020年8848亿元，2021年1月至9月中国集成电路产业销售额为6858.6亿元，同比增长16.1%。其中，设计业同比增长18.1%，销售额3111亿元；制造业同比增长21.5%，销售额为1898.1亿元；封装测试同比增长8.1%，销售额1849.5亿元。详细见下图2.图22016~2019年9月份中国集成电路销售额变化趋势图2.5集成电路产业的重要性及其发展的作用集成电路产业是电子信息产业发展的基础与核心，集成电路产业发展的水平已经成为衡量国家与地区经济发展与科技水平的重要标志。对于中国来说，大力发展集成电路产业，建立一个具有自主创新能力，有巨大经济规模的集成电路产业体系，对于坚持以工业化促进信息化，保障信息安全、经济安全，增强国防实力，有着极其重要的战略和现实意义。3集成电路最新技术进展3.1集成电路新工艺的发展“摩尔定律”指的是集成电路上晶体管的数量每18个月会增加一倍，此定律已经服务于集成电路产业60年至今。依据与“摩尔定律”带来的红利，集成电路产业的上下游生态维持的很好。目前的CMOS管尺寸已经达到了惊人的7nm，未来还会继续推进着特征尺寸像5nm、3nm发展。但是，经过众多领域专家、业内人士的研究，在未来，“摩尔定律”将会失效，这也使得目前的集成电路产业必须主动寻求技术创新，在材料、器件、设计、封装方面不断开展研究，力求集成电路在后摩尔时代依旧满足“更低的成本、更小的面积、更高的性能”集成电路一般通过淀积、光刻、离子注入等方式来制造，其制造多达数百道工序，其中每一道工序都需要许多种工艺材料的支撑，因此，新材料的发现和应用对集成电路来说无比重要。下图3展示了集成电路工艺材料的发展趋势。从中可以看出，1970年代，工艺材料的应用数量还比较少，但发展至2010年后，工艺材料的数量已有数十种。新材料对于集成电路的工艺发展还体现于在180nm的工艺中，用硅化物材料COSi2代替TISi2；在130nm工艺中用Cu布线代替Al布线，以达到降低延迟的目的；在90nm工艺中更多的采用NiSi,提高沟道性能，45nm中，引入高k栅介质来降低沟道漏电，这些案例都反映了新材料对于集成电路工艺的发展。目前，对于CMOS集成电路功能材料的研究主要包含三类：一是逻辑器件材料（主要为栅材料、衬底材料、源漏材料等），二是存储器件材料，三是互联材料。其中，最广泛使用的是逻辑器件材料。，成本大幅提高。对于逻辑器件，其发展难点表现在随着工艺尺寸的不断缩小，晶体管沟道长度也越来越小，栅氧化层厚度也不断减薄，为了增强栅控制能力，工艺上采用高k栅介质材料，能与Si沟道形成良好的界面、与Si的能带匹配好等优点。总而言之，新材料的发现与使用对于集成电路工艺的提升发展至关重要。图3集成电路工艺材料的发展趋势从器件结构来看，栅氧化层厚度以减薄至其物理极限，已经不足以维持MOS器件栅控能力。即使采用高k介质材料，对于22nm以下的工艺也无能为力。于是，FinFET器件横空出世。FinFET（鳍式场效应晶体管）是一种全新的互补式金属氧（CMOS）晶体管，因其形状与鱼鳍相似，故用此名。其来源于传统标准的场效应晶体管（FET），主要应用于类似20nm、14nm等小尺寸IC电路的制作，与传统的CMOS晶体管相比，FinFET器件会带来更好的集成度和器件优势等。但也存在发热更加严重、工艺扰动更大、成本高等问题。为了推进特征尺寸朝7nm以下发展，MOS器件未来可能往SOI-FinFET、GAA（环绕式匣极纳米线晶体管）发展，但考虑到低功耗的发展趋势，MOS器件无法适应低功耗发展，TFET（隧穿场效应管）有望成为低功耗器件未来发展的选择。见下图4为传统CMOS晶体管与FinFET晶体管截面图对比。图4体硅CMOS晶体管与FinFET晶体管的截面图3.2集成电路设计新发展在集成电路设计、制造、封装加工等多个环节中，设计部分是集成电路产业的核心，其余均围绕设计服务。如今，集成电路行业已转变为以行业应用、系统需求为牵引的定制化设计，逐渐朝着智能化、集成化方向发展，也在传统芯片的基础上衍生出了可重构芯片、人工智能芯片等。对于传统的数字集成电路来说，目前任是芯片领域的主体，摩尔定律主要指的是适用于数字集成电路。在先进工艺的发展下，各类数字芯片纷纷追逐最先进的工艺，例如，移动端的苹果处理器、高通骁龙、华为麒麟系列，均使用了最先进的7nmCMOS工艺，目前高性能芯片仍通过简单增加硬件数量来提升性能。但随着摩尔定律逐渐走向极限，在后摩尔时代还需要在新器件、新方法上推动数字集成电路的发展。与数字集成电路相比，传统的模拟集成电路发展则按部就班，仅有一些局部上的技术亮点。广泛应用的模拟集成电路有ADC、DAC、运算放大器、滤波器、射频集成电路等。由于Bandgap（带隙基准）、运放和滤波器发展较为成熟，模拟电路一般集中在DAC/ADC和高速接口领域进行发展。在DAC/ADC方面，目前更多的采用数字电路方式来推进架构设计和电路实现，使其得到显著的性能提升。在射频集成电路方面，从前大量采用GaAs、SiGe、BiCMOS等工艺，如今，RFCMOS（射频CMOS）已成为主流射频IC工艺，未来在5G、物联网等领域还将受到持续关注。在人工智能芯片方面，目前的AI芯片只能算作狭义的人工智能芯片，广义上还是指基于深度学习的高效能计算芯片。机器学习、神经网络、深度学习与人工智能的关系如图5所示。图5人工智能、机器学习、神经网络关系图深度学习在不同应用场景所采用的算法存在很大差异，这也导致芯片性能各不相同。传统的深度学习采用CPU、GPU、FPGA等方式进行，但效率低下，已不适应当前日益增长的边缘计算要求，因此，需要发展新型架构的神经网络处理器，如国内寒武纪、地面线等AI芯片。3.3集成电路封装技术新发展集成电路的芯片封装技术由单芯片封装发展到多芯片封装、三维封装等，最终将走向三维异质集成方向。发展过程如图6所示。图6封装技术发展趋势图随着后摩尔时代的到来，越来越多的专家学者认为集成电路今后的发展要依靠三维异质集成技术，才能达到“摩尔时代”时集成电路所需的低成本、小体积与高性能。各种新应用领域的兴起，如人工智能、生物医疗等，IC制造商的整合工艺技术也愈发变得重要。全球第一大晶圆代工厂——台积电，其拥有晶圆级封装平台，包含CoWoS（片上晶圆级封装）与InFO（集成扇出封装），能广泛覆盖物联网、AI、可穿戴等重点领域，具有广阔的市场发展前景。这也是其能独占苹果公司处理器芯片代工的关键所在。总而言之，因为三维异质集成技术的迅猛发展，芯片封装领域不断受到人们的关注。因此台积电等IC企业正结合IP、EDA等设计企业，不断的完善产业生态系统，想要在AIoT领域取得先机。相信在未来，封装技术会朝着更高集成、更低功耗和性价比的方向发展。4中国大陆集成电路产业发展概述4.1中国大陆集成电路产业发展历史我国集成电路研究起步开始较早，早在1956年，国务院就组织并提出了“向科学进军的口号”在这之中，半导体作为一项最新技术被列入了发展规划之中，1957年，由北大、南开、复旦等多所高校联合在北大举办半导体专业培训班，培养了我国第一批半导体人才。1958年，国家成立了中科院半导体研究所和上海技术物理研究所半导体实验室等机构。同时，又成立了上海元件五厂等半导体器件专业工厂。终于在同年，我国第一枚锗晶体管研制成功。1965年，我国第一代单片集成电路也随之也研制成功。20世纪70年代，在上海、北京等地都建立了一些专门生产半导体器件或集成电路的企业、同时在全国各地也兴起了一些专业生产硅与专用设备的企业。但在“封闭的环境”中设计、研制、生产、销售，企业规模小且技术落后是该时期我国集成电路产业的发展特点。在改革开放之后，我国集成电路产业发展获得新生。1984年无锡华晶引进了3英寸/5微米的彩电芯片生产线。1988年，上海贝岭成为了微电子领域第一家中外合资企业，并成功建立了国内第一条4英寸/3微米的交换机芯片生产线，从此之后，中外合资的上海飞利浦半导体公司与北京首钢NEC公司逐渐成立。1990年与1995年，我国实施了“908”与“909”工程，成功建立了6英寸晶圆示范生产线和一批集成线路设计企业。2000年6月，国务院发布了《鼓励软件产业和集成电路发展若干政策》，随着此文件的发布，国内的芯片制造企业，封装测试企业如雨后春笋般不断冒出，大力推动了我国集成电路产业的发展。2010年，国务院发布了《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，文件提出了要着力发展集成电路、新型显示等核心基础产业。2020年9月，国务院印发了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，指出集成电路产业与软件产业是信息产业的核心，是引领科技革命与产业变革的关键力量。该文件从减少征收集成电路企业所得税、落实知识产权保护、加快推进产教融合等方面入手，有力地支撑了国家信息化产业建设发展。4.2中国大陆集成电路产业的地理分布目前，中国大陆地区集成电路产业发展布局主要以长三角、珠三角、京津冀地区为中心。2021年，全国集成电路产业销售额有90%来自这三个地区。如图7所示。图7中国集成电路整体产业分布图表从产业分工的角度来看，我国集成电路产业的设计业主要分布在长三角，珠三角、以及以京津冀为中心的环渤海区域，制造业主要分布在长三角地区，封装测试业也主要分布在长三角地区。从集成电路产业区域分布销售图可以看出，长江三角洲地区作为制造与封装测试业的中心区域，其设计销售产额在2020年达到了1599.7亿元，占全国集成电路总收入的39%，京津冀环渤海区域2020年的销售额为557.2亿元，占总收入14%，珠江三角洲在2020年设计销售收入1484.6亿元，占据总销售额的37%，如图8所示。图82020年中国集成电路区域设计销售分部图（单位：亿元，%）4.3中国大陆集成电路产业面临的问题与挑战由于受到以美国为首的西方国家对我国集成电路产业的制裁与打压，我国政府已经把发展国内集成电路产业作为重要目标和长远的战略规划，在这之中，我国集成电路产业还面临着许多问题与挑战，需要去解决：第一，教育培养机制落后，产业人才稀缺。集成电路属于知识密集型产业，其复杂的设计与生产决定了发展此产业必定需要高素质产业人才，但目前我国集成电路人才培养速度较慢，难以跟上产业的快速发展，全国开设微电子专业的高校数量不多，且这些高校能提供的教学资源更是稀少，教学体系落后于世界先进标准。目前，我国集成电路的领军人物几乎都是经过海外留学培养后的归国人员，本土人才的培养依然不容乐观。第二，技术水平落后，创新能力较低。目前我国生产的集成电路产品主要服务于中低端消费与设备，仅有少数几家企业（如华为）拥有设计高端通信网络及电子芯片的能力。此外，我国在基础环节仍受制于西方国家，2020年，美国持续对华为公司施加制裁，限制其使用美国技术、软件设计与半导体芯片的制造，由于台积电受美国主导，华为被迫停止了与台积电的合作，导致其自研的海思麒麟芯片的供应面临极大阻碍。这一事件反映出我国在集成电路产业最基础、最上游的环节受美国制约极其严重，无法对我国超过万亿的庞大集成电路市场提供有效保障。尤其是对光刻机、高端离子注入机等几个领域的长期研发与投入严重不足，在光刻机领域，与全球领先的光刻机企业ASML相比，我国的研发经费与其相差100倍以上，研发人员数量不及其1/10。下表2反应了ASML与我国上海微电子装备对于光刻机的研发投入对比。表二光刻机研发投入对比ASML上海微电子装备销售收入128.4亿美元2-3亿人民币研发投入18.5亿美元连续十年总投入6亿人民币研发人员数量拥有分布在123个不同国家或地区的23247名员工，其中8500名为研发人员不足千人供应链体系与全球700多家专业供应商合作，其中，ASML-Philips-Zeiss构成核心。ASML负责光刻机整机技术，Philips负责高速高精度的运动台技术，Zeiss负责光刻机光学系统的开发。固定供应商提供光刻机相关的功能模块与单元组件，主要包括VDL、IDE等关键供应商负责总体集成，超精密光栅系统来自中国科学院上海光学精密机械研究所。其光刻机镜组来自北京国望光学，光源来自科益虹源，浸液系统来自浙江启尔机电，双工件台来自华卓精科销售（量产或研发）情况2大类、4种类产品平台，2018年平均销售额4884.71万欧元2018年90nm光刻机样机研制项目通过验收5中国大陆集成电路产业战略规划与实施5.1引进与发展人才上面已经提到过，集成电路产业对人才的依赖远超其他行业，设计、制造、加工等环节无一不需要高素质的专业人才。美国及其西方国家都十分重视集成电路领域的人才培养，通过制定大量的人才政策，吸引了全世界的优秀人才。高素质人才的缺少是我国集成电路产业发展的重要障碍，因此，在2019年的两会中，全国政协委员、集成电路专家周玉梅建议，将集成线路设为一级学科，以促进人才培养与产业发展需求相匹配。此外，地方政府还要出台有利于吸引人才流入的政策，要坚持内培与外引并进。国内企业可以主动深入美国、欧洲、日本和韩国等地，挖掘企业急需的高端人才，此外，我国台湾地区在集成电路制造与封装测试领域处于领先地位，拥有充足的人才贮备，国内企业可以借助“惠台三十一条”政策，从我国台湾地区挖掘高端人才。在挖掘人才方面，华为有着许多借鉴经验，早在华为成立的初期，其总裁何庭波就下定决心从海外引进人才。一方面，华为依靠高薪来吸引人才，其推出的“天才计划”年薪就开出了进百万，更重要的是，华为用事业来留住人才，为其提供施展才华的舞台，最终将华为的水平拉高至世界前列。5.2强化鼓励企业技术创新集成电路产业是需求拉动和技术推动的产业。长期以来，核心技术一直是我国集成电路产业发展的主要障碍。从技术角度来看，全球集成电路的发展主要呈现两方面的趋势，一是短时间内摩尔定律依旧符合芯片发展规律,探索新型器件结构成为技术创新焦点，但由于所需资金较大，需要借助国家力量，集中资源才能发展。二是用于用户交互与外界环境的非数字集成电路，需要朝着超越摩尔定律的多元化方向去发展，以实现较多功能。最先进的芯片已不一定是市场发展的必要因素，多样化的技术也有可能带来新的发展，地方政府与企业可以投入到新的算法、新的架构、材料和工艺上去，以减少生产发展所需要的资金，同时才能与国外龙头企业平等合作，将技术限制的影响降到最低。目前，我国企业应该更加重视原始创新和集成创新，有实力的企业要加快自主研发，加强企业技术积累，为人工智能、物联网、5G等市场的爆发做好充足准备。5.3加大政策扶持，创造良好发展环境集成电路是一种基础性、先导性与战略性的产业，对于美国、欧洲、等国家，均有政府进行大规模的政策制定和有效调控，因此，我国集成电路想要集成发展也应离不开政府的支持。政府方面，一是要完善产业政策体系，围绕5G、人工智能、物联网等领域制定详细的产业发展政策。二是以产业链布局为中心，加强产业链各个环节间的协调。三是完善产业税收优惠政策，允许企业将科研费用用来抵扣企业所得税。四是建立风险补偿机制，结合我国集成电路产业发展特点与规划，制定投资风险的补偿机制。5.4重视知识产权保护目前，全球集成电路产业的竞争逐步由技术竞争过渡到知识产权竞争。当前，不少集成电路垄断企业都围绕着“战略性”专利展开竞争，以实现技术和市场的垄断，从而遏制后起国家集成电路产业的发展。因此，为了更好地保护技术创新，我国集成电路企业不仅要加强技术创新，还要加强知识产权保护。结论在当今时代，集成电路不仅关系着国家的安全与科技的进步，而且还牵扯到国家未来产业的命运。在这种情况下，本文试图通过从了解集成电路的定义、历史、产业市场规模与现阶段下集成电路产业发展的最新技术方面，对集成电路产业有一个完整的认识。在了解集成电路及其产业总体发展的情况下，本文具体分析了我国集成电路产业发展现状，从中分析出我国集成电路