中国在芯片领域有哪些短板亟待突破,未来路在何方

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今年以来,中美在半导体领域大打贸易战,引发了国际社会的广泛关注和热议。目前国内的半导体芯片和欧美等高端芯片设计和工艺方面仍有较大的差距,中国在人工智能芯片的快速发展是否可以弯道超车?国家层面的战略扶持和资金投入,中国芯片的成长带来了机遇?

如何认识半导体芯片?

半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料,常见的半导体材料有硅,锗等。芯片就是半导体产品的统称,是集成电路的载体。南京大学微电子学院教授王中风指出芯片应用的范围很广,已广泛应用到日常生活中的汽车、路由器、手机、电视机等产品。中国科学院计算技术研究所研究员李晓维提到一个流行指标说明芯片应用的广泛,“一个人如果每天接触到的处理芯片少于20个,那这个人就没有进入现代化”。

各种各样的芯片已经遍布我们的生活,那芯片之间的性能差异是什么原因造成的?中国科学院微电子研究所研究员陈岚提到像SoC这种集成电路芯片,是由S(system)和C(chip)共同确定的。比如,高通的通讯芯片占据大量市场份额,除了拥有的专利技术外,它在system即应用领域的算法和架构方面的多年积累也是它性能优越的重要因素。芯片物理实现的时候涉及到加工技术代,加工工艺特征尺寸越小,晶体管性能越高,单芯片集成度越高,芯片能实现的功能就越复杂,性能也会越高。李晓维介绍芯片的结构也会对性能产生影响,从结构设计角度也可使芯片性能进一步提升。王中风还补充道,设计架构师的经验对芯片性能也有很大影响。架构师不仅要对硬件本身理解,也要理解芯片的实际应用,个人经验的积累、悟性、受教育的程度等都会影响他的理解。

目前,国内外低功耗芯片的研发逐渐成为一个热点。陈岚分析主要有几点原因,首先是目前功耗过高带来的一些局限,比如硬件过烫而影响工作。第二是由于物联网的应用,物联网监控是无人值守的,需要保证一颗电池用到一定的时长,对功耗的要求也相应提高。还有一个原因是泄漏电流的存在,即芯片即使不工作也在耗电,这就造成了功耗的增加。要提升芯片的低功耗性能,王中风认为不是一招一式能做到的,需要有“内力”,这包括几个层面:一是工艺,集成电路的工艺越先进,功耗的降低就会越明显;二是芯片设计本身,通过简化算法和运用硬件设计技巧也可以降低能耗。不过李晓维指出在芯片设计过程中,需要综合考虑性能、功耗和可靠性之间的折中和平衡,并不是一味强调低耗能,而是要根据目标进行调节,如果目标是追求性能的话,那功耗便可能会相应变高。

 

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中国半导体芯片行业发展的瓶颈

谈及当今芯片产业的世界格局及中国的处境,中国科学院微电子研究所研究员陈岚指出,集成电路芯片发源于美国硅谷,再发展到日本、韩国,其实中国集成电路和世界起步基本是同步的,但是在原始技术创新上,美国目前拥有许多“卡脖子”的技术,比如光刻机,eda工具。在芯片的原材料和装备上,日本占了部分所需的化学试剂60%以上的市场。韩国的特长主要是存储器产品,台湾地区是专业代工。中国也已经把集成电路当成重要产业进行支持,中芯国际已经实现28nm芯片的量产,已经在为高通提供产品加工服务。

但国内芯片行业也还存在这一些制约因素,王中风指出中兴被美国禁售引起的反响比较大,并不是中兴不能生产芯片,只是高端芯片还是一个瓶颈。李晓维认为制约因素要从设计、生产、封装和测试各个环节进行思考,比如国内目前的一些生产工艺相比国际发达水平大概落后了三代。陈岚指出目前我国芯片发展的制约因素不只是设备和装备的问题,还要从芯片设计方面进行考虑,在芯片的研发过程中,随着芯片复杂性提升,对设计技术的要求也在提高。一个是需要先进的设计方法与eda工具,另外复杂芯片所需的计算平台资源不亚于一个超级计算机提供的计算能力。在芯片的制作材料上,目前主要使用的是硅,还未找到替代品,这也可能会制约芯片的持续性发展。

王中风还指出了业界存在的一些问题,在十几年前还会有小公司不断成长,但现阶段小公司往往面临没有资金的问题而难以发展。其实更多小公司的成长可以推动大公司的创新和发展,但是成本增高使得普通创业者难以参与进来,于是就有大公司垄断的趋势。陈岚也补充道,通过观察国际的产业布局,我们应该清醒地认识到这已经是个成熟的产业,现在的利润空间是透明的,不像新兴产业一般有巨大的利润空间,并且这是一个高投入、高技术、高回报的产业,行业实力前20%的企业拿走了80%的利润。

中国芯片的未来发展,路在何方?

现在国内人工智能芯片已经获得快速发展,这是否会让我们实现弯道超车?王中风认为目前人工智能芯片更多的是起到优化现有应用的作用,主要应用在两个层面,一是基于微处理器,应用于优化神经网络计算;二是在人工智能专用领域,如智能监控中的动态识别,可用于危险手势识别或者跟踪。在人工智能芯片方面,我国的发展已经位于第一梯队,但市场总体比重仍然较小。李晓维认为单纯一点的突破不是整体的创新,国内芯片的发展不能仅靠人工智能芯片,并且人工智能也仍有很大的发展空间,目前人工智能在结构上的效率不高,未来可以发展基于神经单元的结构。陈岚则指出,目前芯片技术和产业已经发展成为体系化网络,要想实现弯道超车,现有的技术突破不够,需要有颠覆性的技术。

国家已经为半导体芯片行业的核心技术发展提供了巨大的扶持资金,商业资本的关注热度也逐渐升温,这在一定程度上为行业发展带来了机遇。陈岚认为,更多的人关注这一行业会使人才汇聚进来,利于产出新的成果。李晓维也认为国家的投入是件利好之事,即便目前国内产业有部分并不是先进工艺,甚至被视为落后产业的转移,但也解决了一部分自主生产的问题。不过,王中风也指出有一些问题需要深思,现在已经意识到存在落后工艺,国家层面应该有所统筹,比如该怎样优化资金分配,将生产、设计等环节中的哪个方面作为发展重点,怎样将其中一个做强并带动其他方面发展?总体来说,不改变持续投入,后续的工作是要解决资金分配的问题。

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