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有财到:后摩尔时代集成电路产业特性及发展趋势。

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消息面:刘鹤主持召开国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议,会议还专题讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。

从网络上看到一篇比较全面介绍后摩尔时代集成电路产业特性及发展趋势的文章,这里转载过来和大家一起分享。

摘要:摩尔时代集成电路产业追寻更小、更密、更快的方向发展,导致费用、人才、技术门槛极高,形成垄断。集成电路产业正在从摩尔时代迈入后摩尔时代,产业发展向高度集成、分散应用、多产品样式、材料多样性、淡化线宽和尺寸的方向发展。基于晶圆制程是制约我国集成电路产业发展瓶颈的现状,建议融合台湾技术与人才,集中资金和人力主攻8寸晶圆制程,对12寸晶圆制程采取紧盯策略,实现我国集成电路产业的全面健康有序发展。

近年智能手机、人工智能、仿生机器人、物联网、MEMS等各类行业应用飞速发展,集成电路发展从传统的追求更小、更密、更快,向定制化、异构化、可升级、低功耗、低成本等各种差异化方向发展,集成电路产业正在从摩尔时代迈入后摩尔时代。认清后摩尔时代的产业特点,选择合适的发展方向,对推动我国集成电路产业健康有序发展,保障国家战略安全具有非常重要的意义。

摩尔时代集成电路产业发展状况

1958年,美国德州仪器(TI)生产出第一款工业级集成电路至今近70年,全球集成电路产业发展基本遵循1956年英特尔创始人戈登•摩尔提出的摩尔定律:集成电路上所集成的电路的数目,每隔18个月就翻一番;微处理器的性能每隔18个月提高一倍,而价格下降一倍;用一美元所能买到的计算机性能,每隔18个月翻两番。摩尔定律引导集成电路行业往更小、更密、更快的方向发展,也遇到了越来越高的门槛和障碍,限制了行业发展,带来如下困境。

(1)先进晶圆厂的建设费用高涨,7nm及以下工艺晶圆厂的建设费用超百亿美元,极少的企业或国家能承担此费用。

(2)先进工艺的流片成本高涨,7nm及以下工艺的流片费用超千万美元,给新产品的研发带来极高成本和风险。

(3)先进设计、先进工艺,需要大量高学历、丰富经验的优秀工程师,从业门槛高。

(4)产品具有迭代性,后进入者会遇到专利壁垒,引发专利战,限制了技术创新。

摩尔时代的产业特性使产业的集中度在世界范围内逐步提高,形成少数垄断企业,垄断区域,垄断国家。2017年,全球集成电路产业4700亿美元营收中,十大跨国公司占据80%营收,具有不可撼动的垄断地位。细化到产业链各环节看,集中度更为明显:EDA设计软件领域,美国Mentor、Cadence和Synopsys占据90%以上的市场份额,处于绝对垄断地位;设计领域前10强,除了排名第4的联发科(中国台湾),排名第5的海思(中国大陆),排名第9的展锐(中国大陆),排名第10的联永科技(中国台湾)。

其余6家Broadcom、Qualcomm、NAVIDIA、AMD、Xilinx、Marvell全部是美国公司,美国公司占据70%的份额;流片代工领域,台湾的台积电占据49.2%份额,韩国三星占据18%份额,美国格罗方德占据8.7%份额;封装测试领域,前三名则分别是台湾的日月光,美国的安靠,中国大陆的长电科技,该细分领域中国台湾居于垄断地位,中国大陆紧跟其后;集成电路基础材料,则是日本居于垄断;高端设备领域,荷兰ASML在光刻机领域绝对领先,其他刻蚀、注入机、沉积等设备,日本和美国具有垄断地位。

摩尔时代集成电路产业的垄断性,使得包括中国在内的后发国家在追寻摩尔定律往更小、更密、更快的方向发展,追赶美国等先进国家地区极其困难。此外,集成电路进入10nm工艺后,传统技术理论逐步失效,单纯靠减小线宽、增加器件密度、提高运算速度的摩尔定律遇到了瓶颈,发展滞缓[2] [3]。

后摩尔时代集成电路产业特性及发展趋势

智能手机、人工智能、仿生机器人、物联网、MEMS等应用的飞速发展,对集成电路的要求复杂化。集成电路要求定制化、集成化、可升级、低功耗、低成本,甚至需要植入生物体等,而非简单的更小、更密、更快,都对集成电路的技术发展提出了新的要求。摩尔定律已经无法适应新形势的发展,产业界最近几年提出了“超越摩尔定律”,进入后摩尔时代,产业发展思路发生改变,并为后进国家提供了弯道超车的机会[4] [5]。后摩尔时代集成电路产业具有如下特性。

(1)高度集成,在单颗集成电路上实现整个系统功能,包括电源、处理器、存储器、传感器、无源元件、有源器件、发射器和接收器等。

(2)分散应用,应用场景从单一的电子信息行业,跨入包括生物医药、化学、机械在内的多行业,具有定制化、多品种、小批量的趋势。

(3)多产品样式,将异质的数字和非数字功能集成到一个紧凑的系统中,从传统摩尔时代的标准样式,发展出SOC、SIP、PIP,3D立体封装等异形结构。

(4)材料多样化,集成电路应用材料从单一硅锗材料,到磁性材料、压电材料、有机材料,甚至生物材料等新材料。

(5)淡化对线宽和尺寸的追求,不再盲目追求高成本的小纳米线宽和大晶园尺寸。

基于上述技术特点,后摩尔时代与摩尔时代相比,集成电路产业发展具有如下趋势。

(1)“超越摩尔定律”与摩尔定律,不构成替代及竞争,两者应用领域不同,协同发展。

(2)集成电路的发展从摩尔时代单纯依靠电子产业,转而涉及更多横向产业,如新材料、光学、生物学、热学等,产业的发展从单一追求深度向同步追求广度发展。

(3)摩尔时代,集成电路应用单一,主要是计算和存储,个别龙头企业可垄断全行业;而后摩尔时代,应用场景剧增及碎片化,应用差异大,需要众多差异性的企业。

(4)后摩尔时代,大量新应用,使得集成电路技术创新从追求更小、更密、更快的单一创新,转向更广泛的创新,得以避开传统竞争领域的专利障碍。

(5)后摩尔时代,可以在门槛相对较低的微米尺寸以及较小尺寸的晶圆上实现流片,对晶圆工厂的要求大大降低,从而降低了集成电路产业化的门槛。

我国集成电路产业现状

我国集成电路产业诞生于六十年代,1965年第一块集成电路诞生,发展经历波折。2018年,中国集成电路市场规模1.3万亿人民币,同比增长9.3%,消费全球将近一半的集成电路,是全球规模最大,增长最快的市场,但产业发展不均衡,总体落后国际先进技术20年[6]。

从中国整个集成电路产业链来看,上游设计领域发展较好,拥有世界排名第5的华为海思,排名第9的展锐,以及中兴微电子、华润矽科、士兰微等一大批优秀企业。中游晶圆制程,拥有中芯国际、华润上华、华虹半导体、上海先进、士兰微等一批具备一定实力的企业,目前国内投产12寸线8条,最先进制程为14nm,无论规模还是先进程度都远落后于全球排名1的台湾台积电,排名第2的台湾联华电子以及排名第3的韩国三星,是制约我国集成电路产业发展的瓶颈。

下游IC封装、测试领域,我国则具备一定实力,长电科技世界排名第3,华天排名第6,封测能力全球第二,除了两家大陆封测企业,全球前十的企业其余8家都在中国台湾。外围EDA设计工具、精密设备、材料等方面,中国大陆及台湾则落后较多,追赶困难。

上述数据表明我国是全球举足轻重的集成电路消费大国和生产大国,但产业链发展不均衡,晶圆制程成为制约我国集成电路产业发展的瓶颈[7]。

晶圆制程发展方向探究[8][9][10]

晶圆制程是制约我国集成电路产业发展的瓶颈,在晶圆制程选择上,传统摩尔时代追求更小、更密、更快,小纳米的12寸晶圆制程,但目前具有较大风险。

(1)产能过剩的风险

从全球晶圆厂产能建设情况来看,12寸晶圆厂是目前主流建设方向。图1展示了最近10年全球12寸晶圆厂的增长情况(数据来源IC insights),从2010年的73座,增加到2017年的108座,预计2020年底,全球12寸晶圆厂将达到117座,近10年年均增长5~10座。

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图1 近10年全球12寸线数量

按照目前单线产能5万片/月计算,2020年全球12寸晶圆产能将达到海量的600万片/月。12寸晶圆目前主要用于标准工艺生产,主要集中在处理器(CPU、GPU)、存储器等领域,服务少数大客户,容易出现周期性波动。韩国三星近10余年通过逆操作,在产能过剩期反向加大产能投资,获得了绝对的霸主地位,但三星周期性的经历巨亏,需要政府输血的行为,并不具备可复制性。2009-2017年,全球关闭了92条线,其中就包括了9条最先进的12寸线,产能过剩风险是12寸线面临的最大风险,值得政府及投资人警惕。

(2)投产周期长、风险大、易烂尾

一条12寸线要发挥作用,从建设开始,到生产运转,到批次良率稳定,至少需要5年以上的打磨的,所以才有集成电路产业10年磨一剑的说法。人们要消除厂房盖好、设备进场、人员满编、样品出来,即算完工的误区。国内某条12寸线,从样品出来到磨合量产商用,足足用了3年时间,至今良率仍远不如台积电。

目前我国稳定运行的12寸晶圆厂有12座,除了中芯国际的3座,其他皆为外资。2019年,有15座12寸晶圆厂在建,投资额合计4400亿元,在建产能超过80万/月。在建12寸晶圆厂中,一半以上是国内企业,除了中芯国际和华虹有12寸量产经验,其他包括华力微、晋华、长鑫、紫光等都是新入企业。对于12寸晶圆厂这种投产周期5年以上,资金上百亿,运行精度高,需要数百名专业工程师维护的项目,众多环节中出现一个纰漏,就会带来整条线的停工或良率下降,因此风险极高。

(3)人才缺失风险

12寸晶圆厂对人才技术经验要求高,国内在建的12寸线,将严重缺乏有经验的工艺工程师。丰富经验的工程师,主要集中在台湾地区及韩国,引入较困难。

后摩尔时代集成电路产业特性及发展趋势表明,看似落后的微米工艺,8寸晶圆制程反而在传感器、物联网、模拟电路领域应用更广,发展前景更好。

表1 2018年全球8寸晶圆产能前十工厂

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如表1所示,中国大陆8寸晶圆领域并不落后,拥有中芯国际、华虹这类代表企业,是可以努力追赶成为国际领头的。后摩尔时代,为了应对下游多样化的应用需求,需要低成本、快速响应、定制化的产品,8寸晶圆的建厂成本、晶圆成本、生产周期等,相较12寸晶圆具有明显优势,因此未来需求更大。建议采用如下策略。

(1)集中资金和人力主攻8寸晶圆制程,对12寸晶圆制程采取紧盯策略,试点运行,不宜大面积推广。具备下列两个条件再铺开12寸:国内8寸晶圆发展壮大,培育出大量有管理、技术、工艺经验的工程师及管理人员;在下游应用客户中涌现一大批国内12寸晶圆用户,为产能找到自主可控的出口。

(2)台湾地区在该领域拥有全球73%的产能,拥有台积电、联华电子这样的头部企业,台湾企业的核心价值在于拥有一大批有经验的工程师。目前,台湾地区的产能近半数已投资到中国大陆,并带来了近10万的工程技术人员。发挥两岸关系,引进和融入台湾人才,通过人才带来技术,实现两岸互助共赢[11]。

总结

集成电路产业正在从摩尔时代迈入后摩尔时代,晶圆制程成为制约我国集成电路产业发展的瓶颈。在晶圆制程选择上,传统摩尔时代追求的更小、更密、更快,小纳米12寸晶圆制程具有产能过剩、投产风险大、人才缺失的风险,而看似落后的微米8寸晶圆制程反而发展前景更好。本文建议(1)集中资金和人力主攻8寸晶圆制程,对12寸晶圆制程采取紧盯策略,试点运行,等国内8寸晶圆发展壮大,培育出大量工程师及管理人员,应用领域培育出12寸晶圆的用户,再发展小纳米12寸晶圆制程也将比较顺利。(2)台湾是全球集成电路晶圆制程的高地,发挥两岸关系,融合台湾技术与人才,实现两岸互助共赢。

最后,致谢中电海康无锡科技有限公司程学农院长、华润微电子有限公司研发总监赵海、无锡市半导体行业协会(WXSIA)、江苏省半导体行业协会(JSSIA)等专家给予的探讨与支持。

参考文献:

[1]田恬.超越摩尔定律[J].科技导报,2014,32(07):11+3.

[2]张百尚,商惠敏.国内外芯片产业技术现状与趋势分析[J].科技管理研究,2019,39(17):131-134.

[3]王一鸣.集成电路芯片产业分工模式的新演进与模块化研发[J].科学管理研究,2019,37(03):65-69.

[4]赖凡,徐学良,蔡明理.试析“超越摩尔定律”的技术[J].微电子学,2012,42(05):706-709.

[5]孙玲,黎明,吴华强,周鹏,黄森,张丽佳,潘庆,李建军,张兆田.后摩尔时代的微电子研究前沿与发展趋势[J/OL].中国科学基金:1-8.

[6]李传志.我国集成电路产业链:国际竞争力、制约因素和发展路径[J].山西财经大学学报,2020,42(04):61-79.

[7]刘建丽,李先军.当前促进中国集成电路产业技术突围的路径分析[J].财经智库,2019,4(04):42-57+142.

[8]张竞扬.7nm半导体的制程技术分析[J].集成电路应用,2017,34(02):47-50.

[9]马钰婷.从英特尔10纳米出货看芯片产业发展[J].上海信息化,2019(06):40-44.

[10]雷瑾亮,张剑,马晓辉.集成电路产业形态的演变和发展机遇[J].中国科技论坛,2013(07):34-39.

[11]刘剑滨.地方应用型本科高校产教融合发展路径探索[J].教育现代化,2019,6(68):107-111.

以上来自网络,这里全文转载,感谢原创者!

后摩尔时代集成电路这个概念是最近几年才提出的,大家可能比较陌生,作为普通投资者,这里说第三代半导体可能更容易理解,结合目前市场,这里给出:晶圆+封测+氮化镓三个投资细分领域,预计下周市场就会反应。

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悦飞股 5小时前回复

分析好

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悦飞股 31天前回复

分析好

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nz_jil1uq90 32天前回复

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股友大李 32天前回复

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美好666 32天前回复

谢谢

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梦雪冰菲 32天前回复

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股友600475111888 32天前回复

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临沂书法广场a 32天前回复

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临沂书法广场a 33天前回复

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asdfg神算 33天前回复

文章学习谢谢老师的分析指导

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