我國(guó)芯片之路

合抱之木，生于毫末;九層之臺(tái)，起于累土;千里之行，始于足下。芯片領(lǐng)域是我國(guó)被“卡脖子”的突出、代表領(lǐng)域之一。在外部環(huán)境加劇變化的當(dāng)下，“缺芯”問題更加凸顯。差距是客觀存在的，但我們也一直在進(jìn)步的路上，自主研發(fā)，道阻且長(zhǎng)。

1、3D視覺芯片

據(jù)科技日?qǐng)?bào)7月初的報(bào)道，近日，中科融合感知智能研究院(蘇州工業(yè)園區(qū))有限公司(以下簡(jiǎn)稱中科融合)自主研發(fā)的高精度AI-3D雙引擎SOC芯片，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)一家芯片代工廠進(jìn)入最終流片階段。這也是全球首顆AI-3D雙引擎SOC芯片。該芯片將和中科融合2019年研發(fā)、目前已初步量產(chǎn)的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))微鏡3D結(jié)構(gòu)光芯片，共同成為全國(guó)產(chǎn)高精度機(jī)器視覺的3D之“腦”與之“眼”。

在智能制造、金融安全、混合現(xiàn)實(shí)等眾多新興領(lǐng)域，3D視覺芯片技術(shù)都屬于核心基礎(chǔ)。然而，幾乎所有高精度機(jī)器視覺系統(tǒng)的3D視覺入口都采用了美國(guó)德州儀器公司100%壟斷的DLP(數(shù)字光處理)芯片技術(shù)。過去1年，包括2020一季度，超過數(shù)10億的資金投入智能機(jī)器視覺領(lǐng)域。若沒有DLP芯片，所有機(jī)器視覺設(shè)備都會(huì)“失明”，基于這一技術(shù)的系統(tǒng)投入都將付之東流。

中科融合是國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)替代DLP芯片在3D視覺領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。據(jù)CEO、中科院蘇州納米所AI實(shí)驗(yàn)室主任王旭光介紹，目前市場(chǎng)上并不存在專用于3D的AI芯片。中科融合首次實(shí)現(xiàn)了AI-3D雙引擎集成SOC芯片，將高精度3D建模算法引擎和基于深度學(xué)習(xí)的智能引擎結(jié)合，并同時(shí)在單顆芯片中完成。

這一直接控制MEMS，同時(shí)整合了高精度動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)光建模引擎和自研NPU雙引擎的SOC芯片，具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

- 成本低，單價(jià)只有國(guó)外同類指標(biāo)產(chǎn)品的1/3上下;

- 功耗低，與國(guó)外方案相比，功耗降低1/10，低至毫瓦級(jí)，“插上充電寶就能跑起來”;

- 體積小，“同樣是高精度，DLP光機(jī)模組像磚頭，我們的芯片模組只有大拇指大小”;

- 精度高。據(jù)介紹，目前國(guó)外的芯片大多數(shù)是低成本、低精度，在3-30萬個(gè)3D點(diǎn)云，類似早期的數(shù)碼相機(jī)的低分辨率，“而我們的國(guó)產(chǎn)自研芯片可以做到百萬以上的高精度3D點(diǎn)云，相當(dāng)于直接到了高分辨率3D相機(jī)時(shí)代。更重要的是，在提供如此高精度的同時(shí)，可以做到和低精度相機(jī)相同的低成本、小體積。這是目前國(guó)外的DLP芯片做不到的。”

2、E波段毫米波芯片

據(jù)科技日?qǐng)?bào)報(bào)道，7月6日，杭州電子科技大學(xué)程知群教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的毫米波通訊系統(tǒng)完成測(cè)試。該系統(tǒng)由毫米波天線、毫米波收發(fā)信機(jī)和高速基帶處理電路板組成，實(shí)現(xiàn)了“超大數(shù)據(jù)高速率傳輸”，提供了5G通信的一種解決方案。系統(tǒng)中使用的毫米波芯片和基帶電路板，由程教授領(lǐng)銜的杭電新型半導(dǎo)體器件與電路學(xué)科交叉團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)。

“第四代通信技術(shù)傳輸速率為100Mbps，這意味著，數(shù)據(jù)傳輸中會(huì)有100毫秒的延時(shí)。第五代通信技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸時(shí)延縮短至1毫秒，傳輸速率為1Gbps-10Gbps?！背讨航淌诮榻B說。目前，國(guó)際上5G通信采用的頻段為Sub-6GHz和毫米波結(jié)合，分別兼顧遠(yuǎn)距離傳輸和區(qū)域高速回傳，實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)傳輸通信鏈。程知群教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院研發(fā)力量，針對(duì)頻段71GHz-86GHz毫米波通信的大氣窗口自主研發(fā)的全套E波段毫米波芯片，能完全滿足5G通信對(duì)傳輸速率的需求。

據(jù)了解，杭電自主研發(fā)的E波段毫米波芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。該芯片在外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，曾成功實(shí)現(xiàn)全世界首個(gè)高階毫米波外場(chǎng)驗(yàn)證，速率達(dá)到70Gbps。

程知群教授表示：“目前國(guó)際上有中、美、歐盟的3家公司有E波段毫米波芯片出售。這項(xiàng)成果的應(yīng)用表明，在5G通信E波段毫米波芯片領(lǐng)域，中國(guó)有了自主研發(fā)的可替代方案。”

3、高能離子注入機(jī)

新華社記者6月28日從中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司獲悉，由該集團(tuán)旗下電科裝備自主研制的高能離子注入機(jī)成功實(shí)現(xiàn)百萬電子伏特高能離子加速，性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

離子注入機(jī)是芯片制造中的關(guān)鍵裝備。在芯片制造過程中，需要摻入不同種類的元素以按預(yù)定方式改變材料的電性能，這些元素以帶電離子的形式被加速至預(yù)定能量并注入至特定半導(dǎo)體材料中。離子注入機(jī)即是執(zhí)行這一工藝的設(shè)備。

根據(jù)能量、注入劑量范圍等不同，常用的離子注入機(jī)主要分為三種類型：低能大束流注入機(jī)、中束流注入機(jī)和高能注入機(jī)。其中，高能離子注入機(jī)的能量范圍需要高達(dá)幾MeV(百萬電子伏特)，是離子注入機(jī)中技術(shù)難度最大的機(jī)型。

一直以來，我國(guó)離子注入機(jī)嚴(yán)重依賴外國(guó)，國(guó)產(chǎn)率極低，大部分的離子注入機(jī)市場(chǎng)被美國(guó)AMAT/Varian和Axcelis、日本SMIT和Nissin等品牌壟斷。在高能離子注入機(jī)領(lǐng)域，Axcelis的前身Eaton占據(jù)了近乎壟斷地位，國(guó)內(nèi)之前一直是空白。此次電科裝備在高能離子注入機(jī)上的突破，打破了國(guó)外廠商的壟斷，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白。

此前，電科裝備已連續(xù)突破中束流、大束流、特種應(yīng)用及第三代半導(dǎo)體等離子注入機(jī)產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化難題，產(chǎn)品廣泛服務(wù)于全球知名芯片制造企業(yè)。

電科裝備離子注入機(jī)總監(jiān)張叢表示，電科裝備將在年底前推出首臺(tái)高能離子注入機(jī)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)芯片制造領(lǐng)域全系列離子注入機(jī)自主創(chuàng)新發(fā)展，并將為全球芯片制造企業(yè)提供離子注入機(jī)成套解決方案。

4、CMOS毫米波全集成4通道相控陣芯片

6月15日，中國(guó)工程院院士劉韻潔表示，我國(guó)已研制出CMOS毫米波全集成4通道相控陣芯片，目前已經(jīng)完成了芯片封裝和測(cè)試，每通道成本實(shí)現(xiàn)了斷崖式下降，由1000元降至20元，成本大降98%。同時(shí)劉院士透露，南京網(wǎng)絡(luò)通訊與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室還封裝集成1024通道天線單元的毫米波大規(guī)模有源天線陣列。芯片與天線陣列力爭(zhēng)2022年規(guī)模商用于5G系統(tǒng)。

有媒體稱，這也是全球第1次較為完美地解決阻礙CMOS毫米波通信的芯片問題，從芯片、模塊到天線陣面，均實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)，在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。

一直以來，毫米波芯片是高容量5G移動(dòng)通訊核心，長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷(主要由歐美廠商占據(jù)主導(dǎo)地位)，是我國(guó)短板中的短板。毫米波擁有很多優(yōu)勢(shì)，比如頻譜資源豐富、傳輸速率更高、方向性更好、元器件尺寸更小等，但由于長(zhǎng)期以來被國(guó)外壟斷，導(dǎo)致每通道成本高達(dá)上千元，嚴(yán)重影響我國(guó)更高容量5G核心技術(shù)的發(fā)展。

此次我國(guó)研制出CMOS毫米波全集成4通道相控陣芯片，打破了國(guó)外壟斷，進(jìn)一步增加了自身的籌碼，極大提升我國(guó)在5G核“芯”產(chǎn)業(yè)鏈上的話語權(quán)，助力5G毫米波商用，對(duì)我國(guó)5G建設(shè)意義重大。

5、半導(dǎo)體激光隱形晶圓切割機(jī)

今年5月，中國(guó)電子旗下中國(guó)長(zhǎng)城鄭州軌道交通信息技術(shù)研究院和河南通用智能裝備有限公司聯(lián)合攻關(guān)，成功研制出我國(guó)首臺(tái)半導(dǎo)體激光隱形晶圓切割機(jī)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。該設(shè)備在關(guān)鍵性能參數(shù)上處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

晶圓切割是半導(dǎo)體封測(cè)工藝中不可或缺的關(guān)鍵工序。據(jù)中國(guó)長(zhǎng)城副總裁、鄭州軌交院院長(zhǎng)劉振宇介紹，與傳統(tǒng)的切割方式相比，激光切割屬于非接觸式加工，可避免對(duì)晶體硅表面造成損傷，且具有加工精度高、加工效率高等特點(diǎn)，可大幅提升芯片生產(chǎn)制造的質(zhì)量、效率、效益。

該裝備通過采用特殊材料、特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、特殊運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)加工平臺(tái)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)保持高穩(wěn)定性、高精度，運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)500mm/s，效率遠(yuǎn)高于國(guó)外設(shè)備。在光學(xué)方面，根據(jù)單晶硅的光譜特性，結(jié)合工業(yè)激光的應(yīng)用水平，采用了合適波長(zhǎng)、總功率、脈寬和重頻的激光器，實(shí)現(xiàn)了隱形切割。在影像方面，采用不同像素尺寸、不同感光芯片的相機(jī)，配以不同功效的鏡頭，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品輪廓識(shí)別及低、中、高倍的水平調(diào)整。該裝備還搭載了同軸影像系統(tǒng)，可確保切割中效果的實(shí)時(shí)確認(rèn)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)最佳切割效果。

據(jù)介紹，長(zhǎng)期以來，高精度的切割機(jī)都依賴進(jìn)口，特別是日本和德國(guó)品牌占據(jù)了大量的市場(chǎng)份額。我國(guó)首臺(tái)半導(dǎo)體激光隱形晶圓切割機(jī)的成功研制，對(duì)進(jìn)一步提高我國(guó)智能裝備制造能力具有里程碑式的意義。

6、存儲(chǔ)芯片

作為全球最大的電子產(chǎn)品制造國(guó)和重要的電子產(chǎn)品消費(fèi)市場(chǎng)，中國(guó)對(duì)存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)芯片有著巨大的需求。中國(guó)海關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，近兩年，我國(guó)集成電路進(jìn)口總金額均超過3000億美元，其中，存儲(chǔ)器進(jìn)口金額占比均超過1/3。

但目前，全球的存儲(chǔ)芯片行業(yè)主要由韓、美、日三國(guó)所掌控，占有全球存儲(chǔ)芯片市場(chǎng)的份額合計(jì)超過9成。集邦咨詢半導(dǎo)體研究中心的信息顯示，在NAND Flash市場(chǎng)，三星、KIOXIA(原東芝存儲(chǔ))、西部數(shù)據(jù)、美光、英特爾和SK海力士這6家企業(yè)占據(jù)了全球99.5%的市場(chǎng)份額。而全球DRAM市場(chǎng)則被三星、SK海力士和美光所壟斷，三家合計(jì)占據(jù)了超過95%的市場(chǎng)。

我國(guó)若無法實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)芯片的自主可控，將意味著關(guān)鍵命脈被掌握在國(guó)外廠商手中。所幸的是，在長(zhǎng)江存儲(chǔ)、長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)等國(guó)產(chǎn)存儲(chǔ)廠商的努力下，國(guó)外廠商對(duì)于存儲(chǔ)芯片的壟斷逐漸被打破。

《日經(jīng)亞洲評(píng)論》報(bào)道指出，從32層到128層的跨越，三星用了5年時(shí)間，而長(zhǎng)江存儲(chǔ)僅用了3年。目前，長(zhǎng)江存儲(chǔ)的128層產(chǎn)品已經(jīng)與國(guó)際廠商近乎處于同一水平線上，這也意味著，中國(guó)的三維閃存芯片從最初的追趕首次實(shí)現(xiàn)了與國(guó)際同行的齊頭并進(jìn)。

去年9月，長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)與世界主流產(chǎn)品同步的8Gb DDR4首度亮相，一期設(shè)計(jì)產(chǎn)能每月12萬片晶圓。這標(biāo)志著我國(guó)在內(nèi)存芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)技術(shù)突破，擁有了這一關(guān)鍵戰(zhàn)略性元器件的自主產(chǎn)能。

7、宇航級(jí)FPGA芯片

去年年初，北京微電子技術(shù)研究所成功研制出國(guó)內(nèi)首個(gè)自主可控的宇航用千萬門級(jí)高性能高可靠FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)芯片。經(jīng)過ATE測(cè)試和板級(jí)驗(yàn)證，本次發(fā)布的FPGA的功能和性能指標(biāo)均達(dá)到國(guó)外對(duì)標(biāo)產(chǎn)品水平，相比前一代產(chǎn)品，系統(tǒng)容量增加58%，系統(tǒng)性能提升50%，功耗降低40%。國(guó)產(chǎn)宇航級(jí)FPGA芯片的成功研制，初步打破了外國(guó)的封鎖壟斷。

作為一種非常重要的芯片，F(xiàn)PGA一直是國(guó)內(nèi)的短板，市場(chǎng)基本被國(guó)外壟斷。FPGA市場(chǎng)主要由美國(guó)雙寡頭壟斷，Xilinx和Altera(2015年被英特爾收購)兩家占了全球90%的市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)超過100億元的FPGA市場(chǎng)中，國(guó)產(chǎn)市占率不到3%。

近年來國(guó)家和地方對(duì)本土芯片產(chǎn)業(yè)的投入有目共睹，通過過去多年的技術(shù)沉淀，積累的創(chuàng)新能力，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈正在不斷成熟完善，芯片設(shè)計(jì)能力也在不斷加強(qiáng)，出現(xiàn)了如上海復(fù)旦微、紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體、上海安路等國(guó)產(chǎn)FPGA廠商。

8、超分辨光刻裝備

2018年11月29日，國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“超分辨光刻裝備研制”在成都通過驗(yàn)收。該裝備由中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所研制，光刻分辨力達(dá)到22納米，結(jié)合雙重曝光技術(shù)后，未來還可用于制造10納米級(jí)別的芯片。

據(jù)介紹，該光刻機(jī)在365納米光源波長(zhǎng)下，單次曝光最高線寬分辨力達(dá)到22納米。項(xiàng)目在原理上突破了分辨力衍射極限，建立了一條高分辨、大面積的納米光刻裝備研發(fā)新路線，繞過了國(guó)外相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

光刻機(jī)是制造芯片的核心裝備，我國(guó)在這一領(lǐng)域長(zhǎng)期落后。它采用類似照片沖印的技術(shù)，把母版上的精細(xì)圖形通過曝光轉(zhuǎn)移至硅片上。一般來說，光刻分辨力越高，加工的芯片集成度也就越高。但傳統(tǒng)光刻技術(shù)由于受到光學(xué)衍射效應(yīng)的影響，分辨力進(jìn)一步提高受到很大限制。為獲得更高分辨力，傳統(tǒng)上采用縮短光波、增加成像系統(tǒng)數(shù)值孔徑等技術(shù)路徑來改進(jìn)光刻機(jī)，但技術(shù)難度極高，裝備成本也極高。

經(jīng)過近7年艱苦攻關(guān)，我國(guó)的超分辨光刻裝備研制項(xiàng)目在無國(guó)外成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，突破了高均勻性照明，超分辨光刻鏡頭，納米級(jí)分辨力檢焦及間隙測(cè)量，超精密、多自由度工件臺(tái)及控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制出了國(guó)際首套分辨力突破衍射極限的裝備。

超分辨光刻裝備項(xiàng)目的順利實(shí)施，打破了國(guó)外在高端光刻裝備領(lǐng)域的壟斷，打破了傳統(tǒng)路線格局，形成了一條全新的納米光學(xué)光刻技術(shù)路線，為超材料/超表面、第三代光學(xué)器件、廣義芯片等變革性領(lǐng)域的跨越式發(fā)展提供了制造工具，也為新一代信息技術(shù)、新材料、生物醫(yī)療等先進(jìn)戰(zhàn)略技術(shù)領(lǐng)域，基礎(chǔ)前沿和國(guó)防安全提供了核心技術(shù)保障。

高科技領(lǐng)域的終極競(jìng)爭(zhēng)在于技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，核心競(jìng)爭(zhēng)力就體現(xiàn)在核心技術(shù)上。差距是顯性的結(jié)果，而縮小差距，需要從基礎(chǔ)研究，到科技創(chuàng)新，再到規(guī)?；逃?，全面提升能力。最終實(shí)現(xiàn)突破的那一大步，必定基于許許多多人點(diǎn)點(diǎn)滴滴、日日夜夜的努力和日拱一卒的精神。