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科技報導

摩爾定律或2025年底,中國籌碼將如何突破?



在不久前舉行的IC CHINA 2020(中國國際半導體博覽會)上,中國工程院院士,浙江大學微納電子學院院長吳漢明預測:“隨著過程節點的發展,摩爾法律變得越來越難以維持,預計將持續到2025年。“半導體公司的工藝技術正在朝著這一目標前進。最新消息是,台積電將在2022年大規模生產3nm工藝芯片,並在2024年實現2nm工藝。

1納米將成為摩爾定律的終結嗎? 在目前的工藝技術下,也許。 除非在新工藝和新材料方面取得突破。 台積電樂觀地預測,在此前提下,也許到2050年,工藝技術可以達到0.1納米。

但無論如何,這對於少數人來說將是一場比賽,並且由於眾所周知的原因,中國在這場比賽中暫時落後。 在“後摩爾時代”,中國籌碼的機會在哪裡?

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難以忍受的“人工智能的重量”

資料來源:甲骨文

“行業發展的驅動力是計算能力。根據OpenAI的估計,AI計算能力大約每3.4個月翻一番,但計算能力需求的增長速度是每年10次。即使摩爾定律不放慢,它也會難以滿足不斷增長的需求。快速的計算能力要求。” 上海穗遠科技有限公司創始人兼首席執行官趙立東在IC CHINA2020大會上表示。

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儘管自2012年以來AI計算能力大約每3.4個月翻一番,但仍低於計算能力需求的增長率。 資料來源:OpenAI

摩爾定律認為,芯片中可容納的晶體管數量每18到24個月將增加一倍,性能也將增加一倍。 自從Moore在1965年提出這一觀點以來,芯片性能的提高基本上每5年增加10倍,每10年增加100倍。

然而,製程技術已從22nm進入“後摩爾時代”,摩爾定律開始放慢速度。 NVIDIA的創始人黃仁勳甚至在CES2019上表示,摩爾定律每年只能增長幾個百分點,而芯片性能的增長率已經下降到每十年一次。 大概只有2次。

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不同工藝節點的芯片設計成本正在上升。 根據調查機構IBS的估算,16納米工藝開發成本為1億美元,10納米為1.74億美元,而目前主流的7納米成本約為3億美元,5納米要價為約4.36億美元,而3納米已飆升至6.5億美元。

芯片不同工藝節點的開發成本,來源:IBS

芯片不同工藝節點的開發成本,來源:IBS

美國半導體工業協會主席兼首席執行官約翰·諾弗(John Neuffer)表示,美國半導體公司每年將其收入的約五分之一用於應對芯片設計成本不斷上升的挑戰。

工藝技術也面臨挑戰。 吳漢明說,我國集成電路產業發展困難,特別是芯片製造工藝面臨三大挑戰:光刻是基本挑戰,新材料新工藝是核心挑戰,良率提高是終極挑戰。

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20納米以上有很多房間

資料來源:IBM

計算能力與摩爾定律之間的矛盾是顯而易見的,但是目前的情況是,先進的工藝技術基本上是由台積電和三星壟斷的。 除了今年復雜的國際關係之外,僅依靠流程升級已無法滿足對計算能力的需求。

但是對於中國公司來說,這不是一件壞事。 吳漢明預言:“新材料和新工藝將成為整套工藝未來研究和開發的主題。光刻和薄膜技術等許多關鍵技術將被集成到一套完整的工藝中,可商業使用。

2019年,全球晶圓代工產能的82%位於20nm以上節點,而20nm以下節點的先進產能僅佔12%,為企業留下了巨大的創新空間。 ”

實際上,具有更高晶體管密度的芯片主要用於手機製造中。 隨著AI時代的到來,當一切都需要添加“大腦”時,大多數智能產品將不再像手機。 對該區域內的計算速度有著不可替代的需求。

換句話說,許多AI芯片可以通過整套過程的創新來實現與先進過程技術相同的計算能力,而無需頂級過程技術。

如果荷蘭的台積電和ASML通過工藝改進“鎖定”了中國製造高端芯片的方向,那麼中國芯片就必須“開闢一條新路”。

“全球半導體產業經歷了三大轉移,每一次轉移都是由於需求的變化。從1990年代開始,隨著PC和手機的普及,產業鏈逐漸從韓國和台灣轉移到了中國大陸。物聯網時代,光設計製造商將成為主流。” VeriSilicon董事長戴為民說。

統計顯示,中國已成為世界上增長最快的集成電路市場。 約翰·諾弗(John Neuffer)透露,2019年,中國市場貢獻了美國半導體公司收入的36%,而中國的PC,手機,電視和可穿戴設備的出口在全球份額中排名第一。

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2016年美國半導體行業公司對中國市場的依賴,來源:Quartz

國內邊緣計算芯片公司Horizo​​n的創始人於凱認為,未來對車輛智能計算能力的需求是自動駕駛的機會。 新包裝技術,軟件和硬件的高度協調以及用於自動駕駛人工智能的創新架構設計以及編譯器操作系統,人工智能計算能力將成倍地發展成“摩爾定律”,但這需要人工智能公司設計具有以下特徵的芯片:新思路。

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突破:Chiplet的嘗試

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創新之路在哪裡? 新結構,新材料和新的集成設計創新基本上是業內公認的三條道路。 但是,在設備和材料方面,日本上升較早,現在已成為市場領導者。 中國最有可能在設計領域取得突破。

戴為民認為Chiplet是一種可行的方法。 所謂的Chiplet是Marvell創始人周秀文提出的MoChi(模塊化芯片)架構。 顧名思義,不同工藝節點的裸片(裸芯片)以異構方式混合在一起,可以大大降低公司的先進技術成本。

例如,在16納米工藝下,Apple A13的成本為每1億個晶體管4.98美元,而在7納米工藝下,其成本僅為每1億個晶體管2.65美元。

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但是,如前一篇文章所述,設計和開發高性能芯片的成本驚人,而普通企業卻負擔不起。

戴為民認為,新形式的Chiplet是未來芯片的重要趨勢之一。 例如,一個芯片可以將7nm工藝用於CPU,將14nm工藝用於I / 0,與完全由7nm製成的芯片相比,其成本降​​低了約50%。

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但是Chiplet的問題在於,如果對不同芯片之間的互連的功耗和性能沒有標準,那麼效果可能適得其反。

目前,VeriSilicon提出了IP或Chiplet,它可以基於不同的處理節點將ISP(圖像處理),NPU(神經網絡處理器),VPU(視頻處理器),GPU(圖形處理器)和其他芯片組成Chiplet,從而實現“即插即用”。

這樣,對於中國公司來說,Chiplet將大規模降低芯片設計的門檻; 半導體IP授權商可以升級為Chiplet供應商,從而增加IP的價值並有效降低芯片客戶的設計成本。

更重要的是,Chiplet可以更好地利用中國的包裝資源。 儘管它在先進的製造工藝中被“卡住”,但中國的包裝技術基本上已接近世界頂級水平。

“領導者”長江電子技術有限公司現在正在繼續促進小芯片的大規模生產以及2.5D / 3D封裝和測試技術的發展。 預計到2021年,可以實現2.5D封裝工藝,從而促進Chiplet的更快著陸。

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未來:降低試錯成本

2019年,我國集成電路產業規模超過7000億元,同比增長15.8%。 工業和信息化部電子信息部副主任楊旭東在IC China上表示,中國占全球市場份額近50%。

儘管近年來美國開始實施“脫鉤”政策,但中國的芯片產業正在迅速崛起。 數據顯示,今天中國已經擁有全球芯片產量的17%。 約翰·諾弗(John Neuffer)預測,到20世紀末,這一比例將增加到28%,特別是在無晶圓廠和OSAT(封裝和測試鑄造)領域,中國具有明顯的優勢。

但是中國的劣勢也很明顯。 2020年,美國半導體行業協會的最新調查顯示,中美摩擦將改變全球集成電路產業格局。 目前,中國本地IC自給率僅為14%,中國本地IC設計行業的全球市場份額為15%。 只有5%。 相比之下,美國占所有項目的50%以上。

上海集成電路產業投資基金管理有限公司總經理陳剛表示,從材料,設備,製造/包裝和測試以及設計的角度來看,科技創新委員會正在尋找相關領域的公司。材料,例如光罩和12英寸拋光片。 二級市場資本已得到一定程度的覆蓋,但是高端材料和光刻設備以及先進技術所需的拋光機仍然存在空白。 在EDA,CPU,FPGA,DRAM,NAND和其他領域的設計領域中也存在空白。 。

在最核心的半導體設備市場中,中國遠離世界。 2019年,中國的半導體設備國產化率為18.8%,但勝美半導體設備有限公司董事長王輝承認核心設備所佔比例很小。

從各國研發支出的分配來看,我國與世界先進國家之間的差距仍然很大,特別是在基礎研究領域,研發最多的仍處於試驗階段。難以產生革命性的創新。

吳漢明指出,中國集成電路研究與開發總支出不低於英,美,法,日三國,但比例嚴重失衡。 只有5%的資金用於基礎研發,特別是對於某些芯片製造公司。 我們必須有基本的指導,才能將這種所謂的試驗和錯誤的研發轉變為試驗性的研發。”