后摩尔时代集成电路产业特性及发展趋势
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[1]。
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。
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、vwin 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
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.
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