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遭遇技术封锁,国产芯片该如何突围?

2020-10-30 14:54:35 来源:中国家电网

10月29日,由中国家用电器协会主办的2020年中国家用电器技术大会在宁波正式召开。会上,围绕中美贸易战引发的尖端科技封锁问题,复旦大学微电子学院黄煜梅副教授、上海晶丰明源AC/DC家电辅助电源FAE总监谢厚林和无锡芯朋微电子股份有限公司牟坤昌三位技术专家,分享了国产芯片替代进口技术所面临的的机会和挑战,并对家电电源芯片国产化进行了评估。

中国大陆追赶集成电路产业“一超三强”,但多个环节自给率仍偏低

目前集成电路产业的世界格局存在非常明显的差异,呈现出一超三强的状态。其中,美国产业链完善度、企业竞争力全面领先,尤其以先进工艺、设计、设备和EDA工具最为突出;韩国通过存储器的发展,拉动了技术水平的突飞猛进,并拓展到代工领域,以此提高其全产业链的竞争力;中国台湾地区则在集成电路制造及封装领域居于世界前列,“专业代工模式”成为其在芯片领域中的核心竞争力,台积电就是其中一家标志性的企业;日本则依靠相对齐全的、尤其以材料见长的半导体产业占据一强的位置,不过总体竞争力日趋下降。目前来看,中国大陆处于美国(一超)和日本、韩国、中国台湾(三强)之后的第三层级。

根据SEMI数据,2018年全球电子系统市场规模达1.6万亿美元,其中半导体市场规模达5041亿美元,但放眼全球市场,中国大陆半导体产业的自给率偏低,半导体自给率仅为14%,涉及IC(集成电路)设计的EDA自给率和IP自给率分别为5%和不足3%,IC封测自给率也仅为3%,只有逻辑封测自给率可以达到41%。

中国大陆在半导体产业各环节的自给率偏低,主要由于半导体产业是劳动密集型、资本密集型、技术密集型、知识密集型为一体的产业,对这些因素的要求均极高。以晶圆为例,建立一条晶圆生产线往往需要数十亿美元的投入,如果对这个数据没有概念,可以对比特斯拉的汽车工厂和晶圆工厂所需要得的资金:特斯拉在上海投资70亿美元建立了超级工厂,但投资一条10nm晶圆生产线则需要130亿美元。

除了资金的大量投入外,投资晶圆生产线还需要将当地政局是否安定、基础设施和自然灾害等问题纳入到考虑范围。此外,晶圆研发成本相当高,会随着工艺的提高而急剧上升,10nm工艺的研发成本已超过25亿美元,半导体行业对于从业人员的要求也相当高,这些因素都进一步提高了行业的门槛。

中国集成电路产业高速成长,未来将迎来四项机遇

中国集成电路产业正处于不断攀升的阶段,不仅在近20年保持高速增长,其中的设计产业也是全球增速最高。根据中国半导体行业协会数据,2018年集成电路全球市场规模从2016年的3389亿美元增长到4016亿美元,中国集成电路设计业产值从2016年的247亿美元增至368亿美元,在全球集成电路市场规模的占比也从7.3%增长至9.1%。

中国集成电路的设计产值保持增长,但与此同时,进口总额也一路水涨船高,从2300亿美元增至3120.6亿美元,超过原油的进口总量,也超过了农产品、铁矿、铜、铜矿、医药品的进口总和,占国家进口总额14.6%,成为中国最依赖进口的一类产品,集成电路也被称为卡住脖子的基石型产业。

目前消费电子、通信、信息、互联网、医疗电子、电力、电网、汽车、国防等产业的发展,均与集成电路密切相关。《科技日报》曾在2018年列举了35项“卡脖子”技术,其中光刻机、芯片、触觉传感器、手机射频器件、高端电阻电容、核心工业软件、光刻胶、微球、高端焊接电源、超精密抛光工艺等技术均与集成电路产业有关,近些年发展集成电路产业也被提到了国家安全布局战略的高度。

虽然中国集成电路产业仍处于追赶阶段,且较依赖于进口,但其在面对全球大环境变化之时,仍有找到一些机会。黄煜梅认为,目前中国集成电路产业拥有四大机遇。一是其驱动力已经由过去单一利用重点产品的驱动,转化为多元化应用驱动。应用场景分散、客户分散、订单分散;单品需求适量、创新迭代变快、市场响应速度较高;品牌门槛降低、技术积累变少……多元市场具备的特点,也是中国集成电路产业最为擅长的。

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复旦大学微电子学院黄煜梅副教授

二是中美贸易战引发的技术封锁,也推动了国产芯片替代进口的进程。“如果将市占比10%作为集成电路替代的标准,那么像指纹IC、LED、智能卡、应用处理器、通信基带、CIS、分立器件、WiFi/蓝牙等是可以替代进口的,一些公司也会因此成为受益者,”黄煜梅副教授表示。

三是政策也对集成电路产业给予了全方面支持。集成电路产业度过了探索发展期(1979年-1989年)、重点建设期(1990年-1999年)、快速发展期(2000年-2014年),目前处于跨越发展期阶段。在中国集成电路产业从无到有的四十余年间,国家出台了多项政策鼓励集成电路的创业、研发、做大、做强。

四是一批集成电路企业通过登陆科创板、创业板,打开了资本化的通道,资本市场对于集成电路产业的关注,也将成为推动中国集成电路产业发展的有力举措。

“好的球员跑向球将去的地方,而不是球现在所在的地方!集成电路产业的发展要考虑市场成长性、产品代表性、技术稀缺性,”黄煜梅用了一个较为形象的比喻来说明集成电路未来三年的热门应用。从2017年开始至2023年,集成电路的应用将从Face ID、TOF逐渐向物联网/智能家居、汽车电子、5G、企业级应用/人工智能、工业自动化等方向延展。有数据显示,2019年中国集成电路供需缺口达1160亿美元,今后几年国内企业在全球市场占有率不断提升,对于国内半导体的需求也会因此不断提高。黄煜梅认为,在诸多有利因素的影响下,中国将迎来集成电路产业发展窗口期。

芯片与家电唇齿相依,国产替代能找到哪些机会?

目前家电市场主要涵盖存储器芯片、数字芯片、模拟芯片、光电子器件、分立器件、传感器六大类别的半导体芯片。由于家电产品对于新品的可靠性要求较高,且价格相对不敏感,MCU、IGBT、IPM、辅助电源、大功率分离半导体等核心器件仍有国外产品主导,不过需要注意的是,这些核心器件并不需要高尖技术的支持,也不需要更前沿的半导体制造工艺,一些家电企业也参与到芯片国产化的行动中,比如格兰仕、格力自己造芯,小米投资芯片,美的、海信、奥克斯、海尔等企业也正在做国产半导体的替代。牟坤昌认为,进口替代应考量三个要素:可靠成熟的产品平台、相关行业大批量出货的应用基础、持续稳定的供货能力。

谢厚林以大家电辅助电源国产替代的案例,来说明半导体芯片国产替代是如何在家电应用中实现的。目前大家电的辅助电源主要集中在美国PI、美国安森美、日本三肯、日本罗姆等几家公司的产品,他给出的替代策略是管脚兼容设计、快速迭代提升性能及品质、升级改善质量管理体系、策略引导。“我们想到的一个简单的策略是和对手pin-to-pin(管脚对管脚),很多人觉得pin-to-pin的技术难度太低,实际上一个电源控制可以很简单,但在其它企业不变的前提下,你的产品和别人pin-to-pin还是不简单的。”

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上海晶丰明源AC/DC家电辅助电源FAE总监谢厚林

晶丰明源在采用国产芯片替代的同时,也要和客户共同提升产品品质,以此来提高产品的稳定性,延长其使用寿命。谢厚林举了增加输入端过压保护的例子:“这个功能最初在推行时,客户发现引入这个方案需要多个电阻或高压电阻,会占用更多空间、增加更多成本。针对这个问题,我们推出了无侦测电阻的输入过压保护这项专利技术,可以做到漏极侦测,同时反馈失效保护。”

此外,晶丰明源还通过快速迭代来减少外围零件,提升可靠性,比如从输出电压可调和无启动电阻,到去掉Vcc电容和反馈电容,分压上电阻,到集成两二极管,再到直接采样,最终达到输出电压批量精度高, 输出电压动态响应快的目的。