蔡南雄:集成电路有三类,发展的重点应该各不同 | 半导体行业观察

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中国十三五规划推动《中国制造2025》 ,其中工业强基工程要做到核心基础零部件、关键基础材料实现自主保障,受制于人的局面逐步缓解,具体目标是2020年自给率要达到40%,2025年要达到50%(对集成电路而言,相当于全球的35%)(附件一)。

中国集成电路产业要实现这两大具体进程目标的挑战很大,因为先进地区集成电路产业商业化量产的经验已经积累了50年,我国比较起来晚了大约20年。再加上产业的技术一直按照摩尔定律的惊人速度在进步,技术资讯的交流又对中国实施管控,使中国难以同步成长,因此无论技术水平和生产规模中国一直滞后。

全球有3万多种集成电路产品,去年有3300亿美金以上的市场规模。其中中国进口了2200亿美金,以弥补不到需求10% 的自给率,而且产品种类偏少,技术层次偏低。整个产业涵盖的实体产品中,不但集成块本身如此,生产集成块用的设备、材料、软件的自给率也同样严重不足。导致整个产业无法独立自主,不但流失大量外汇,而且核心基础零部件、关键基础材料无法实现自主保障,处处受制于人。

想要从这种困境中突围,当然希望越快越好,也越全面越好。然而目前距离2020年只剩3年,距离2025年只剩8年时间。笔者粗略估计要完成<中国制造2025>的目标,产业每一年要增加大约100亿美元自产自销的额度,这相当于每一年大概要增加一个中芯公司(30亿美元/2016年)全部的前段生产,加上相应后段测试封装后,所有集成电路成品的销售金额。有鉴于此,十三五规划有很积极的政策向集成电路产业倾斜,三年来也有不少亮点:并购了一些有技术的企业、延揽不少有经验的人才、动工建设了很多生产工厂、市场化了一些高端设备和材料、推动了一些提高效益的经营模式等等,蓄积了极大的正能量,一旦全部逐步实现效益,中国集成电路产业的格局势必大幅度成长。

然而中国集成电路产业的技术层次和自给率的不足是严重的,范围是全面的:产品无论是先进的或成熟的,生产能力不管是技术、设备、材料或软件,都必须大幅度加强,因此本文希望在现在正在执行的发展战略上添砖加瓦,提供一些建议。为了方便分析,本文将产品依照生产工艺架构的不同分为3大类别,以便依其条件不同而有效地重点区别考虑:

  • 先进的硅基工艺类(12英寸低纳米级别);
  • 成熟的硅基工艺类(8英寸以下微米级别或12英寸高纳米级别);
  • 非硅基泛半导体产品工艺类(SiC、GaN、GaP、SOI等新材料)。

其中第一类生产追随摩尔定律(Moore‘s law)的产品,其他两类生产超越摩尔(more than Moore)类的产品。本文旨在在目前对三类产品的发展已经做的投入和积累的成果上,提出一些还可以做的建议。

先进的硅基工艺类

先进的硅基工艺类的技术层次最高,是整个产业的指标,因此中国在这类产品生产的设计、工艺架构、设备、关键零组件、材料各方面等受先进地区管控的情况也最突出。因此,全部从头做起自己来差不多是唯一的选项。事在人为,目前最主要的战略在于组织足够的各种专业人才来落实这艰巨的任务。这时候最重要的是:整合好稳定的工作队伍,发挥中国特色优势,以既创新又踏实的经营方式积累成果,快速超赶全球先进同业。

这类技术和产品的研发和生产成本都非常高,进步又非常快,兼并或技转引进最先进(state-of-the-art)的技术和产品固然可以收立竿见影之效,但这仅仅是治标的救急手段,要治本基本上还是得要靠自己独立自主创新开发,否则不可能永续成长。

80年代,台湾、韩国都同时发展内存产业,30年后两家造成韩国公司占领世界快80% 份额,而台湾的市占率可以忽略不计的事实必须引以为戒。目前在这技术领域最高的层次,先进地区具备更先进而且扎实的产品基础、更充足的资源、更忠诚的客户、更配合的供应商、更默契的技术团队等条件,后来者一时是无法超越的。

但是事在人为,成功的办法是人想出来和做出来的,如今国内这类企业里,高手来自五湖四海不同公司,各怀独门绝技,如何因利势导,在中国独有的优势条件加持下,使之互相激荡,爆出火花,以创新的思维创造出和以前大不相同的方式经营,才有机会在劣势中杀出重围后来居上,否则将永远在后面你追我赶。这方面,当年两弹一星的成是很好的榜样!

成熟的各种硅基工艺类

这一类产品是三类中能够最快实现自给率大幅度成长的一类。原因如下:

  • 这一类产品的标准生产工艺架构(如: CMOS、power MOS、IGBT、driver、sensor, 等等)比较简单成熟,其智财保护大多已经过期,容易取得,自行开发或引进建立不是问题。
  • 这一类产品因为多样,其生产工艺很多是客户协助建立的。这是因为客户为了使其产品产生差异性和优越性,以增加市场竞争力,常常自己会在对标准工艺架构上做部分改变,开发出与众不同具有特异性能的电路器件,因此这部分客户会协助。
  • 市场讯息最详细可靠,因为来自政府。这一点是本文要强调的,下面详细说明。

产品公司第一需要的是市场讯息:客户在那里?要买什么产品?各要多少?

我国目前自己设计生产的集成块产品种类太少。然而根据统计,国内有能力的各类产品公司(fabless、IDM,系统公司、产品研发机构等)超过一千家,各有不同产品专长。但是除了少数例外,大多规模很小,需要协助。提供更多正确的产品开发方向,使之有能力更广大深入地渗透市场,可以大幅度增加营收和利润健康成长,有能力协助填补大陆产品种类的不足。

另一方面,政府有最完整的市场讯息来源:全国各地的海关(其他非正式管道不计)和半导体行业协会。只要收集和分析(Data-Mining & Analysis)这两个机构有关集成电路产品进出口和使用者的大数据,就是完整的市场讯息,可以给全国设计公司的产品开发指点明津。

这一类产品有成熟不必重新开发的生产工艺、多样化的生产工艺有客户协助建立、有正确完整的市场讯息等优异条件,但是这一类产品在国内市场的推广仍然有两个障碍:一是客户对使用新供应商的产品没有用过的心理障碍;二是国内前段生产厂产能严重不足的实际障碍,自造仍然无法大幅度提升。

国内集成块生产厂,虽然产能严重不足,但是对于使用国产设备增加产能大多踌躇不前,原因是对使用新供应商的设备产品没有信心,有心理障碍。如何疏解这种产品生产和生产设备之间供需的矛盾,笔者于今年9月14日在半导体行业观察发表题名为:《关于打造集成电路设备共享生产配套的建议 》中提出个人的看法,有兴趣者可以参考,本文不再赘述。

非硅基泛半导体产品工艺类

非硅基泛半导体工艺不追随摩尔定律演进。这种工艺,半导体器件是做在SiC、GaN、GaP、SOI、石墨烯等半导体材料上,不是做在纯硅的基座(Si -substrate)上。主要是利用这些材料相较硅具有某些优越的特性,如:耐高压、承受高功率、漏电小、速度快、抗辐射等,可以满足一些比较特殊的系统需求。

这一类产品都是最近十几、二十年来才慢慢引起研究和应用开发的兴趣。这时候中国改革开放已经相当成功,资金和人才的积累已经相对充裕,因此中国在这方面的发展也大致和世界同步,不像硅基的发展滞后了20年。

这一类产品大多量小、样多、变化快,从产品概念的实现商品化的时间很短。面对这些特点,上海微技术工业研究院发表的“超越摩尔“研发中试线是很好的对策。九月十日在上海开幕的 “Sensor China”研讨会中,上海微技术工业研究院发表的这一中试线的概念—打造集研发、工程、市场、孵化的一体化功能平台。这正如六零年代半导体产业刚刚萌芽时期,规模还很小不适合功能分工,企业经营自然地是什么都做:从系统设计、电路设计、生产、封装、测试,甚至生产设备和材料的开发都在同一个屋檐下。产业的规模还没进展到可以衍生出设计制造整合公司(IDM),或分解成无厂设计公司(Fabless design company)、晶园代工(Foundry)、封装/测试(assembly/testing)的阶段。只是现在这一一体化功能平台的经营者和客户的合作方式更全面和深入。

这种一体化功能平台的概念很适合使用新材料制造的产品,或一些产品需求量不大,但是变化快、种类多、开发时间短的产品。这种经营模式是我国在高科技产业中领先世界的创举,而且确实适合这类新的先进产品,我国应该大力推广到全国,以充分利用我国巨大体量的优势,发挥这项创举的效益,开创我国在这领域引领群伦的地位。

结语

本文把所有的集成电路分成三个类别:先进的硅基工艺类(12英寸低纳米级别)、成熟的硅基工艺类(8英寸以下微米级别或12英寸高纳米级别)、非硅基泛半导体产品工艺类(SiC、GaN、GaP、SOI等新材料)。相较于先进地区,中国在这三种类别的发展面临的挑战不同,必须分别考虑。同时在考虑过程中,必须随时认真善用中国具备的独特优势,才能产生最有效的成果,尽快地使我国核心基础零部件、关键基础材料实现自主保障,受制于人的局面逐步缓解,也同时减少大量外汇的流失。

附件一:节录国务院关于印发《中国制造 2025》的通知 (国发〔2015〕28 号)第三(三)3: 工业强基工程 国务院2015 年 5 月 8 日

蔡南雄:集成电路有三类,发展的重点应该各不同 | 半导体行业观察

作者简介

蔡南雄博士曾经在美国矽谷Intel和Fairchild担任IC工艺开发工程师。从1983年起,蔡博士先后合伙创办了台湾茂矽电子公司、江苏无锡华晶上华半导体公司、台湾合晶材料有限公司、浙江宁波中纬集成电路以及长沙创芯集成电路有限公司,负责各项专业工作,以及担任总经理和董事长职务;也曾担任过香港华智半导体公司、台湾茂德电子公司、上海宏力半导体公司、及上海北车永电电子科技有限公司总经理。

蔡博士曾经直接参与五座IC生产工厂及一座矽片生产工厂的兴建。并且从事Memory、Logic、IGBT等产品和生产工艺的研究开发、工厂管理和产品销售等企业管理工作。在国际交流方面,蔡博士曾经亲自执行技术移转给台湾/日本/韩国合作伙伴,也曾经从德国/日本/美国合作伙伴接受技术移转。

蔡博士曾获得台湾新竹交通大学杰出校友及台湾十大杰出工程师的荣誉。蔡博士亦曾任职多间港台上市公司高层,包括台湾茂矽电子(台湾上市)、台湾茂德科技(台湾上市)、上海宏力半导体厂(香港上市)、宁波中纬、长沙创芯集成电路、台湾合晶材料有限公司(台湾上市)、北车永电。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1429期内容,欢迎关注。

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