回首半导体行业的发展历程,从 70 多年前一颗小小的晶体管开始,到如今已经以各种形式渗透与每个人的生活密不可分,其发展速度之快让摩尔定律面临失效,无论是以硅为基础的半导体材料,还是光刻机之类的半导体设备,还是存储芯片的容量大小,几乎都面临急需攻克的难题与瓶颈。
回望 2020 年,一些瓶颈正悄悄找到出口,8 个关键词得以诠释这一年来半导体行业的发展。
一、国产替代
在中美关系紧张的环境下,今年中国半导体市场异常火热。数据显示,截止 2020 年 12 月,我国今年新增超过 6 万家芯片相关企业,较去年同比增长 22.39%。目前全国约有 24.4 万家芯片相关企业,超 2 万家芯片相关企业拥有专利。
这是环境和政策双重作用下的结果,尤为明显的是,在科创板一周年之时,市值排名前十的公司中,就有包括中芯国际、沪硅产业、中微公司、澜起科技和寒武纪在内的 5 家公司属于半导体领域。
在解决人才短缺问题上,也有一些新动作:将集成电路学科设置为一级学科,让本科毕业生带 “芯”毕业的 “一生一芯”计划项目,成立南京集成电路大学,无一不是为国产替代做准备。
也有行业专家参与到 “国产替代”的讨论,清华大学微电子研究所所长魏少军认为,芯片全面国产替代指日可待是口号型的发展,会让政府遭遇很大的压力。华润微电子代工事业群总经理苏巍指出,“当下国产芯片自给自足率不足三成,中国整个半导体产业链发展明显有短板和不足,但是在功率半导体领域,我们看到它率先进行突围,与国际一流技术水平差距在缩小。”
二、黄氏定律
在 12 月份的英伟达 2020 GTC China 大会上,英伟达首席科学家兼研究院副总裁 Bill Dally 在演讲中称,如果我们真想提高计算机性能,黄氏定律就是一项重要指标,且在可预见的未来都将一直适用。这是 “黄氏定律”这一命名首次被英伟达官方认可。
黄氏定律具体是指英伟达创始人黄仁勋对 AI 性能的提升做出的预测,GPU 将推动 AI 性能实现逐年翻倍。大会上,Bill Dally 用三个项目说明黄氏定律实现的关键,包括实现超高能效加速器的 MAGNet 工具、以更快速的光链路取代现有系统内的电气链路、全新编程系统原型 Legate。
几十年前,英特尔创始人之一戈登 · 摩尔提出了著名的摩尔定律,从经济学的角度成功预测几十年来集成电路的发展趋势,即每 18 个月晶体管数目和性能提升一倍。当下,英伟达作为当下炙手可热的 AI 芯片公司,其黄氏定律有望引领未来几十年芯片行业的发展。
三、宽禁带半导体
宽禁带半导体即第三代半导体材料,包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石(C)、氮化铝(AlN)等新兴材料,最初其研究与开发主要用于满足军事和国防需求。宽禁带半导体的带隙大于硅半导体的 2.2e,能够有效减小电子跨越的鸿沟,减少能源损耗,因此多应有于节能领域,主要是功率器件。今年年初小米推出氮化镓快充就是宽禁带半导体的典型用例。
要让宽禁带半导体取代硅基,需要克服成本瓶颈,碳化硅和氮化镓衬底成本过高,使得器件成本高于传统硅基的 5 到 10 倍,是阻碍宽禁带半导体普及的主要原因。不过,在技术和工艺的提升下,成本已接近硅基器件。
今年,在各省份的 “十四五”规划建议稿中,纷纷提及加快布局第三代半导体等产业。宽禁带半导体成为 2020 年乃至往后几年里中国半导体产业的重要发展方向之一。
四、8 英寸晶圆
晶圆缺货是半导体行业常有的现象,但今年受疫情影响以及 5G 应用需求增长,各个代工的 8 英寸晶圆厂产能爆满,缺货现象尤为严重。台积电董事长黄崇仁曾在 11 月概括晶圆产能紧张现状,称目前晶圆产能已紧张到不可思议,客户对产能的需求已达到恐慌程度,预计明年下半年到 2022 年下半年,逻辑、DRAM 市场都会缺货到无法想象的地步。
模拟芯片和功率器件需求持续上涨,与本就现存不多的 8 英寸晶圆厂产线相挤压,产能持续紧张,另一方面导致包括 MOSFET、驱动 IC、电源管理 IC 等其他需要在 8 英寸晶圆生产的芯片或器件的生产周期延长,市场价格纷纷上涨。
根据 TrendForce 最新调查研究,预计 2020 年全球晶圆代工收入将同比增长 23.8%,为十年来最高,先进节点和 8 英寸产能成为晶圆代工行业竞争力的关键。