我国集成电路技术发展制约因素分析

摘要:本文通过分析集成电路领域技术发展现状及发展需求,基于德尔菲调查结果,对集成电路领域代表性技术的主要几项制约因素进行了研究,分别对实验室技术实现、技术应用推广和普及的制约因素进行探讨,并简要进行了理论解释;最后对几项突出共性的制约因素,就其制约原因及可能的解决方法进行了分析和探讨。

关键词:制约因素分析技术发展集成电路

当前我国集成电路技术总体发展态势良好,据中国半导体行业协会发布的产业运行报告,2021 中国集成电路产业总销售额为 10458.3 亿元,同比增长为
18.2%[1]。科创板集成电路公司实现归母净利润 238.51
亿元,同比增长 191%,超八成公司净利润增长。芯片市场供不应求带动了半导体晶圆代工和封测企业加速扩产,刺激了半导体设备和材料需求大幅增长。但纵观领域整体技术水平,呈现“大而不强”“快而不优”的特点,技术发展水平参差不齐,技术短板依然存在。多类集成电路细分领域技术水平还有待进一步提高和重点发展,如:高端光刻技术、以EDA为代表的设计模拟软件技术、三维集成封装技术为代表的先进封装技术、刻蚀及沉积等集成电路设备等。集成电路技术发展现状和国际领先水平还有差距,集成电路作为信息领域核心支柱技术,许多关键技术仍然掣肘。从细分领域看,技术发展痛点、难点仍有很多,制约着相关产业发展,乃至整个信息领域发展。对于制约技术发展的因素,本文从集成电路领域德尔菲调查结果出发,对得到的几项领域主要制约因素展开分析、进行制约原因分析并对于可能的解决方法进行了探析,以期为扫清领域技术发展障碍提供思路。

1 技术发展需求分析

近年来,我国集成电路产业在政府高度重视、政策大力支持和业内企业提高研发资金投入等多方面努力之下,取得了长足的进步。许多过去“卡脖子”的技术有了补齐替代方案,全产业链均实现不同程度的增长。对于设计领域,当前高端芯片的设计水平提升明显,
CPU 及 SoC 等产品水平均有较大改进;对于制造环节,
14 nm 及以上制造工艺已经较为成熟,均已实现量产,
7 nm 工艺制程已取得进展,7 nm 以下先进工艺也在有序研发中;在封装集成环节,技术水平逐步向高端演进,九成以上技术接近或达到国际领先水平;对于装备及材料环节,28 nm 以上制程能力逐步成熟,7~14 nm 逐步研发出来。

1.1 万物互联对技术发展提出创新需求

随着万物互联世界的到来,集成电路面临支撑日益发展的消费领域和工业领域智慧化要求,以及支撑智慧物联应用多个领域的重大挑战。这就要求集成电路更低成本、更智能化,更高效化,更绿色。传统行业转型升级,工业领域对智能制造转型实现以及生产设备智能升级都对芯片水平提出了越来越高的要求;智慧城市、智慧交通车路协同、智能航运、智能安防等众多智慧领域应用深化拓展,也在对芯片领域扩宽提出更高要求。

1.2 智能产业发展对融合发展提出更高要求

目前 5G、6G、智能汽车等应用市场已逐渐成为半导体增长的下一轮重要驱动力。智能应用对芯片的速度、可靠性、稳定性等都提出了新的需求,将带动半导体整个产业链的改变,包括半导体器件、制造工艺以及测试领域。新型智能汽车作为当前发展热点,融合了自动驾驶、车联网、新能源等多种技术,综合数据传感、芯片算法、通信技术、物联网、人工智能、大数据等技术对芯片功能融合有更高的要求。智能网联汽车对信息安全、互联互通、智慧节能的更高要求使得汽车制造领域技术重点从以机械制造逐步向电子信息融合技术转变,成为拉动集成电路及半导体发展的一大动力。智慧领域的拓展应用,对集成电路智能化提出更高要求。物联网、人工智能、大数据等技术推动芯片向更加智能化方向发展,融合物联网、边缘计算技术和人工智能算法的集成电路的融合发展需求将更为明显。

1.3 面临保障信息安全和产业安全的重大挑战

随着新一代信息技术逐步发展和智慧应用的逐步深入,产业对信息安全的要求更加迫切,信息安全保障也成为芯片发展的重点和难点。许多集成电路设备、材料和技术专利长期以来依赖国外,自主化程度较低,面对当前瞬息万变的局势,产业运行安全也难以保障。长期以来,对技术和设备的智能监管不足,信息安全隐患突出。集成电路技术是信息安全的保障基石,只有不断提升技术水平,才能应对越来越突出的信息安全需求,不断加快实现芯片国产化是减少信息安全漏洞的根本方法。

2 技术发展制约因素的德尔菲分析

我们就集成电路领域有关技术 9 个分领域 44 个核心技术群,前期通过专家问卷调查开展了德尔菲调研,对集成电路领域制约因素,分为“实验室技术实现”和“技术应用推广及普及”两方面进行调查,问卷每类预设 9 项因素,针对每项技术,请专家选择影响最大的因素,由此得到了制约因素影响状况。

2.1 实验室技术实现制约分析

对于调查得出的 10 项最重要技术,综合看来调查结果(如图 1)认为,在 9 项制约因素中,对该领域实验室技术实现制约程度最大的三个因素是高层次人才及团队(平均影响占比为 22.64%,即对于领域最重要 10 项技术平均每项有 22.64% 的专家认为此项因素为影响最大的因素)、科学原理突破(平均影响占比为
21.43%)和研发资金(平均影响占比为 18.09%)。

集成电路属于知识密集型领域,技术研发需要大量高层次人才,工信部曾多次发文指出,人才短缺特别是高端人才团队的短缺是制约我国半导体和集成电路产业发展的重要原因。科学原理突破也是主要制约因素之一,制约主要表现在摩尔定律已经走向极限,悬在集成电路行业发展之上,亟需打破摩尔定律。研发资金一直是制约集成电路技术发展的另一项重要因素,设计环节高档
IP 核的许可费用很高,产线建设及高端集成电路设备都需要较大投入。

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图1 实验室技术实现的制约程度

2.2 技术应用推广和普及制约分析

调查结果认为(如图 2),在 9 项制约因素中,对技术应用推广方面影响最大的三个因素是产业链配套能力(平均影响占比为 25.66%,即对于领域最重要 10 项技术平均每项有 25.66% 的专家认为此项因素为影响最大的因素)、社会或风险资金(平均影响占比为 21.29%)和成果转化中试基地(平均影响占比为
17.71%)。

产业链配套能力主要指领域内整个产业链的协调能力。集成电路产业链的配套能力制约意味着产业结构不完善,部分领域受到外部制约,存在产业链短板。随着近几年的发展,集成电路技术覆盖面和产业水平都有明显提高,但高端芯片技术能力、性能的稳定性和应用推广程度等与国际领先水平还有差距。社会或风险资金方面,除了少部分企业从海外证券市场上市,其他芯片企业因为缺乏资金而难以提升产能规模。企业缺少机会获得足够的资金来满足自身的发展需要,国内企业技术创新投入少,限制了企业创新能力。

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图2 技术应用推广和普及的制约程度

2.3 各影响因素主要制约的技术

在实验室技术实现方面,受 9 个因素制约程度最大的技术见表 1。全光计算技术等新集成电路新方向由于支撑技术发展还不够成熟,过去不属于主流发展方向,调查结果显示受科学原理突破影响较大,过程检测类技术涉及支撑技术较多,受学科交叉程度影响较大。

表1 实验室技术实现受各项因素影响最大的技术

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在技术应用推广和普及方面,受 9 个因素制约程度最大的技术见表 2。新型半导体材料技术类应用推广受成果转化、产业链配套及示范应用推广等方面制约程度较大,光刻技术受国外竞争限制制约程度较大。

表2 技术应用推广和普及受各项因素影响最大的技术

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3 主要制约因素分析

3.1 核心领域高层次技术人才短缺

高层次人才和技术人员不足对集成电路领域发展影响很大,当前人才短缺问题在不同地区和集成电路不同领域广泛存在。数据显示,在人才和学科发展政策支持下,在领域人才数量逐步提升的情况下,人才缺口仍然高达 20 万。除了研发人员的短缺,技术工人、技师、高水平生产操作人员短缺情况同样严峻,操作工人短缺成为包括集成电路行业在内的生产行业普遍存在的突出问题。核心技术领域高水平对口专业人才更加短缺,以光刻技术为例,国内从事光刻设备研发人员数量只有一千多人,总数还不到有些国外代表性光刻技术企业的研发人员的十分之一。不仅领域内高端人才总量不足,专业人才对口就业率也不够高,由于行业薪资水平限制,存在向其他行业就业的现象;人才流失局面没有得到解决,集成电路、微电子、物理电子学等相关专业教学和人才培养模式与产业发展方向相结合的程度还不够,共同制约着人才供给水平,导致高端人才难以满足行业发展,难以保障技术高速发展需求。

3.2 研发资金投入转化程度低

当前,集成电路领域受到国家高度重视,集成电路产业确定为战略性产业之一,行业资金投入总量不小,但对行业推动作用和转化程度较低,“热钱难用到实处”。国家和地方政府纷纷出台大量支持政策,为行业各环节都提供了相应财政、税收等支持政策。集成电路领域一度迎来投资热潮,多地纷纷设立重点项目,然而项目建设领域重复、集中,存在扎堆建设,如大硅片领域、化合物半导体领域。除了领域扎堆,新建项目还存在基础薄弱,产业能力差,与地方发展难以结合,出现“水土不服”现象,投资后项目难以出现实效。此外,领域研发投入严重不足。研发投入占比严重落后于国外企业,集成电路企业资金实力不足,英特尔研发支出达到 134
亿美元,光刻机巨头 ASML 近十年研发费用支出超过
90 亿欧元,与此相比,国内企业研发投入严重不足,2019 年半导体行业研发投入前十的企业,中国只有华为一家。

3.3 产业链短板限制整体行业发展

产业链与供应链及创新机制的协同效应还不强。纵观整个产业链,封装环节与国际水平差距不大,但其他领域还有较大差距。一方面,产业某些环节短板较为明显,对整体行业发展较为不利。EDA、光刻技术等与国外水平差距很大,长期依赖国外产品,受制于人。EDA
产品被 Synopsys、Cadence、Mentor Graphics 几家巨头长期占据市场,国内不但产品有限,产品较为孤立、零星,产品推广难度也很大。另一方面,产业链的某些环节存在着重复建设缺乏整体规划、项目雷同、高端产品
缺乏,造成资源浪费,不利于产业链健康有序发展。

3.4 成果转化及创新体系效能不够高

高水平科技成果供给能力不足,成果转化水平仍然不够高,难以支撑技术高水平发展,对产业供应支撑不足。企业创新研发能力与创新生态建设都有不足,创新体系没有形成可持续效应。自主创新能力不足,没有形成攻关关键领域和核心技术的攻关机制。企业创新风险防控和保障机制不足,使得企业不愿承受高额投资带来的风险。科研管理、科技奖励分配等制度机制存在欠缺。

4 研究总结

近几年来,我国集成电路发展已初步完成从无到有的过程,但还需精细化发展,转型升级,注重高端产品和技术的培育。总体看来,当前领域资金投入不足及使用不到位和高端人才短缺仍是制约技术发展的重要因素。自主技术体系仍旧不完善,新兴替代产品和技术的应用推广程度不够,制约着整体行业发展。面对当前困境,还需多方面发力。

探索机制,引导高校和企业形成合力,注重多学科交叉融合培育,培育创新型人才。注重培育集成电路产业核心领域人才和专业团队。以行业发展重大需求和核心技术发展重点作为指引,培育重大项目,以此培养高端人才团队。

集中政府和市场化力量引导多种方式的投入和支持,引导土地、设备、资金共同作为投入,培育新型研发组织,注重创新生态的融合,引入多方面资金来源共同投入。优化人才反馈机制,建立合理受益机制,培育合作共赢的产业联合模式。推动企业、研究机构、产学研合作组织共同发力,提升创新能力。

强化自主研发能力,提升企业创新能力,打造行业和学术界联合研发的机制,探索合作模式鼓励大型企业开放共享机制,促进融通发展。补齐企业创新风险防控和保障机制。

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(本文转自《电子产品世界》杂志2022年第6期)

我国集成电路技术发展制约因素分析