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揚眉吐氣!國產芯片迎來新突破,中國自研芯片強勢崛起,不容易!

作者:羅靈姣 日期:2023-10-24 09:35:14 點擊數:

科技是社會發展的核心,芯片是當代電子科技的生命。

“乾坤日月當依舊,昨夜今朝卻異同”,如今的我們生活高速發展的信息時代。便捷的手機、飛速的交通、智能的生活,一切都與百年前的生活大相徑庭,

這些巨大的飛躍都來自于芯片技術的發展。

小小的一塊芯片上承載了數以億計的晶體管,通過這些集成電路來進行運算和存儲,主宰著電子世界。它們被廣泛應用于信息、軍事、消費等方面,代表著一個國家最先進的科技水平。

揚眉吐氣!國產芯片迎來新突破,中國自研芯片強勢崛起,不容易!(圖1)

在當下的信息時代,掌握著先進的芯片技術,不僅意味著擁有更好的發展機會,更意味著擁有世界話語權,各個國家都以芯片產業為科技發展的重中之重。

芯片的重要性與日俱增,而我國也出臺了許多的支持政策,大力推動了芯片行業的發展。

然而從我國芯片行業的現狀來看,先進技術國的壓制、研發技術的相對滯后、需求的暴增......這些都標示著中國芯片仍然在面臨著困境。

事實上,中國已經在芯片行業上走了很長的時間,從20世紀中期到現在,中國芯片在逐漸崛起。

回顧中國芯片的發展歷程,每一個艱難的腳步都是在打基礎,我們從來沒有停止過對超國際水平的追趕,獲得了很多寶貴的經驗。

一、中國芯片的崛起歷程

中國芯片的發展階段大致可以分為三個階段:探索起步階段、初步發展階段和轉型創新期。

(一)探索起步階段

1956年至1978年,中國的芯片產業在學習和摸索中慢慢起步。這一時期,全世界的芯片產業大致都處于同一階段。

1954年,美國最早制造出硅合金晶體管,打開了芯片半導體的新世界。為了追趕國外的半導體科學,我國于1956年把電子元件的研究納入國家的四大緊急措施之列。

1958年,第一個集成電路在美國的實驗室初現雛形;一年后,美國創新出了平面光刻技術,晶體管從雙極體跨入了平面型;

在60年代,貝爾實驗室研制出了單晶技術、仙童半導體用平面工藝解決了集成電路的連接問題。

揚眉吐氣!國產芯片迎來新突破,中國自研芯片強勢崛起,不容易!(圖2)

20世紀研發的晶體管

美國的半導體工業從起步開始,在十年之間站穩了腳跟,作為世界上最早擁有批次生產能力的國家,美國開拓了芯片制造的前沿。

在這一時期,英特爾、AMD等公司也成立起來,成為世界芯片制造的領袖。

看著美國的快速發展,我國的科學家奮力直追。

1958年,北京電子管廠研制出硅合金晶體管;

1963年,中國科學院半導體研究所研制成平面管;

1975年,北京大學物理系設計出我國第一批三種類型的1Kb DRAM動態隨機存儲器,標志著我國擁有了獨立制造內存芯片的技術。

這一階段中,國家主導半導體產業的研究,大批的研究機構和電子廠投入建設,對研發和生產實行兩手抓的策略;

國內的半導體成品主要是開發邏輯電路,應用在軍工服務和計算機制造方面;初步擁有了集成電路產業,也為中國建立了一套橫跨院所和高校的半導體人才培養體系。

受到時代環境的制約,我國的半導體產業受國家管制,應用范圍有限,民用和走入市場的領域一片空白。在集中管理之下,我國的芯片制造在開始時,就缺少了歐美國家競爭下的多樣制造。

(二)初步發展階段

進入改革開放之后,中國的芯片產業迎來了初步發展。

在國家的支持下,1982年,“電子計算機和大規模集成電路領導小組”成立,1985年,中興半導體成立,致力于獨立研發新的芯片技術。

面對國外電子市場的沖擊,為了提高國營芯片企業的效益、促進芯片行業的發展,國家提出了“531戰略”、“908工程”、“909工程”等科研戰略,致力于在具體的芯片分化領域有所進展。

除此之外,國家還牽頭引入了國外的生產線,學習國外的技術。

然而由于芯片技術的快速更迭以及高要求,這一策略并沒有達到很好的效果,只有少數的企業抓住了機遇,成為了第一批芯片生產的幸運兒。

對于發展條件不足的民營企業,他們依托國內的低價成本,承接了門檻較低的封裝產業,在學習技術的同時進行利潤積累,在下游產業鏈中占據了一壁江山。

原本在這些條件的助力下,距離中國芯片接軌國際水平的目標更進一步。但事與愿違,全球芯片產業的裂變與分工細化打得我們措手不及。

在80年代,國外的芯片企業出現了兩種裂變——主攻軟件和專注硬件,微軟和英特爾作為兩個方向的領頭羊,選擇以合作的方式入手全球市場。

一時之間,便宜好用的芯片大量涌入,將國營芯片企業的受眾瓜分殆盡。

而在后續的分工過程中,ARM和臺積電又分別占據了芯片生產代工和IP核授權的先機,將芯片產業擴展為設計、生產、封裝的不同產業鏈。

國外的企業有了更多入局芯片產業的機會,領域的細分也提供了高效專注某一方向技術的可能。

在這樣的背景下,我國芯片產業在初步發展時期就受到了很大的沖擊。原本在第一階段的五年差距立馬擴大了,國內外的發展鴻溝很快就橫亙而出。

雪上加霜的是,我國的研發雖然一直在進行,但卻始終觸碰不到先進技術;西方國家對于生產的保護與壟斷,使得中國人才無處可學,只能閉門造車,自行研發可用的技術。

(三)轉型創新期

在20世紀的前夕,我國的芯片產業迎來了轉型發展的機遇。

1999年,我國提出了“星光中國芯工程”,號召學習了海外先進技術的科學家和愛國企業家一同開拓芯片產業。

中星微電子公司在中關村扎根,建立了數字多媒體芯片技術實驗室,致力于芯片的研發和設計。

2001年,“星光一號”在北京誕生,我國擁有了第一顆百萬門級超大規模數字多媒體芯片,結束了沒有芯片的歷史。

“星光一號”不僅在國內得到了好的反響,更是被多個國外知名品牌采用,受到了蘋果、飛利浦、戴爾、索尼等品牌的認可。

同一時期,中芯國際、華為海思等企業也成立了,民企成為了中國芯片研制的主力軍,發展勢頭猛烈。

揚眉吐氣!國產芯片迎來新突破,中國自研芯片強勢崛起,不容易!(圖3)星光一號升級版——“星光智能一號”

中國芯片產業搭上了騰飛的時代,一時之間發展迅速。

好景不長,由于風頭過盛,中國芯片產業受到了國際芯片巨頭的防備與打壓,諸如產權訴訟、壟斷打壓的事件層出不窮。

此外,“漢芯”造假事件騙取了大量的科研經費,引起了國家對民企不規范行為的制裁,對不少民企造成了影響。

這些讓大家看到了在發展機遇之下蘊含著的風險,因此積極尋找對策來解決問題。

2015年,國家出臺政策,設立芯片研制產業基金,對考察合格的優質公司進行扶持。

這一決策讓真正有實力的人才和企業有了發揮的舞臺,芯片產業形成了良性的市場競爭,推動了我國的芯片產業創新。

近幾年,我國的芯片研發趨勢向好,不僅研發出了全球首顆嵌入式,神經網絡處理器人工智能芯片——“星光智能一號”,推動了我國進入智能時代;

還提出了智能摩爾之路,從人腦機制的啟發中,找到了芯片的三維轉型方向。

可以說,中國芯片在20世紀真正開始崛起了。

揚眉吐氣!國產芯片迎來新突破,中國自研芯片強勢崛起,不容易!(圖4)中國芯片集成板

不過,即使在芯片設計和制造方面有所突破,但在芯片的生產上,我們至今也仍然依靠著國外的光刻機,并且在高端芯片制造上,依舊在追趕國外的先進技術。

也就是說,我國的芯片產業鏈發展不平衡,在例如晶圓代工的環節中,技術上依然存在缺陷,亟待提升;且高端技術掌握程度不高,對進口芯片的依賴很大。

而在過去幾十年的發展歷史中,芯片產業已經形成了分化細致的全球網絡,在任何一個環節的不足都會造成滯后。

盡管我國的企業在努力占據各個細化環節,中國芯片還是在很多方面也受到了制約。

隨著我國的芯片技術快速前進,以美國為代表的資本國家開始對中國芯片企業圍追堵截,中興和華為先后受到了一系列制裁,芯片產業的制造交流也對中國關上了大門,中國的芯片科技受到了全面打壓。

看懂芯片承載的未來后,我國政府和企業正在齊心協力,共同解決中國芯片制造高端技術缺失和產業鏈不完整的問題。

中國芯片遇到了新的危機,但在崛起之路上,我們依然在勇往直前。

二、新時代中國芯片崛起之難

芯片制造大致有5個主要環節,生產流程是以電路設計為主導,由芯片設計公司設計出芯片,然后委托芯片制造廠生產晶圓,再委托封裝廠進行芯片封裝、測試。

目前,中國芯片產業占據了全球市場規模的三分之一,隨著5G時代的到來,產業規模還將進一步擴大。

國內的芯片產業分布已形成地域規模,圍繞北京、長三角、珠三角等多個中心發展。

在具體的芯片制造流程中,我國在系統方面擁有自主研發的鴻蒙系統;

在設計方面擁有近2000家設計公司,海思和紫光集團占據了全球前十的兩個席位;

在封裝、測試方面勢頭強勁,長電科技、華天科技、通富微電長期位列全球前十。

而以上分化環節之外,我國的芯片產業目前還存在許多不足。在晶圓代工方面,我國僅僅在早期的工藝上達到了成熟,在細微新工藝上,依舊在追趕臺積電公司;

在制造產業方面,我國的芯片制造還較為滯后,與設計、封測相比,所占的比例相比還很低;在設計IP方面,我國的生態系統建設也進展頗慢,正在等待技術革新。

總而言之,中國芯片在生態和制造環節存在很大的不足,面臨著的頭號挑戰正是芯片的制造問題。造成這一局面的原因有多重。

第一、芯片的制造流程脫節

一片芯片的誕生是涵蓋芯片設計、硅片制造、晶圓制造、電子封裝、基板互聯、儀器設備組裝等多重流程的復雜工藝,每一個環節都在生產中占據著重要的作用。

我國的圓晶制造至今依靠引進國外的光刻機,關鍵的高頻射頻元器件、化合物半導體等也都需要進口,高端的制造工藝還存在空白,對高端芯片的進口需求極大,與其他環節嚴重脫節。

揚眉吐氣!國產芯片迎來新突破,中國自研芯片強勢崛起,不容易!(圖5)

第二,芯片的制造技術落后

除了設計需要創新,芯片制造也有高標準。

材料、工廠環境、設備等,都對芯片的成品有直接的影響。芯片是人類目前最頂尖科技水平在材料上的體現之一,國內的相關技術還難以支持優質產品的制造,與國際先進水平差距較大。

我國目前最先進的制程技術還停留在對第一代14 nm的FinFET技術的重大進展,對更為先進的工藝還未觸及,甚至很多設備都依賴進口;

而最先進的工藝已經發展到5nm了,與我國形成了巨大的鴻溝。

第三、芯片的制造成本高

芯片制造具有前期投入大、生產周期長、研發費用大的特點,投入金額一般以億為單位;如此高昂的造價,還需要面對研發困境和市場風險,成功的企業往往要付出超出預期的成本。

第四,外國壟斷制裁影響大。為了壓制中國的綜合實力,將核心科技壟斷在自己手中,西方資本國家一直對中國的芯片產業進行封鎖。

2018年,中興企業受到封鎖,2019年,華為芯片徹底斷供。只要中國芯片有技術上的突破,就會被這些國家使用何種借口訴訟,阻止中國芯片的進一步發展,以達到維護他們的壟斷地位的目的。

三、中國芯片走向崛起的根本動力

2017年全球芯片行業十大公司排名,除了臺積電中國臺灣晶圓代工,中國的芯片公司無一上榜。

作為世界上最大的芯片消費市場,我國的芯片市場交易額高達五千億,本土生產的芯片僅占據了10%左右的比例。重要的市場和核心的技術依然被發達國家掌控。

中國芯片雖然積累了一些經驗,也有了向好的發展趨勢,但也需要找對方向,從核心要點入手,提升自身的技術,這樣才能真正站起來。

《中國制造2025》提出,2025年我國芯片自給率要達到50%。

工信部提出的相關實施方案則提出,10年內力爭實現70%芯片自主保障且部分達到國際領先水平。這意味著國家依舊會給予芯片產業最大程度的支持。

事實上,我國的企業在自主研發的同時也在走互幫互助的路線,華為、紫光、中興等27家企業成立了“中國高端芯片聯盟”,合作追趕世界先進水平,我國的芯片專利數量已經有了可喜的增長。

揚眉吐氣!國產芯片迎來新突破,中國自研芯片強勢崛起,不容易!(圖6)

從眼下來看,只有認清不足之處、完善相關的保障、提出替代方案,才能解決當前的困境;而從長久考慮,需要完善產業鏈建設、通過創新研發能力、培養人才儲備,才能取得中國芯片的勝利。

首先,中國芯片在設計和封測環節已經取得了較好的發展成果,但制造環節仍有發展空間。近年來,芯片設計領域異軍突起,在整個行業中貢獻同比增長最快;

封測產業具備規模和技術基礎,基本已掌握最先進的技術;而制造所需的光刻機依舊依賴進口,因此,必須把握核心,對制造產業進行重點突破。

其次,制定芯片生產備份方案,對于受到國外壟斷的重要設備和零部件,需要事無巨細的考慮,解決好生產環節中的后顧之憂。對高端的機床、儀器、芯片等等,都要保障生產順利進行。

再者,要保障芯片產業鏈的連續性。

做到芯片設計、制備工藝、制造、封裝測試等領域突破“卡脖子”技術,不斷完善產業生態,提升產業鏈核心競爭力和控制力。

最后,也是重中之重的部分,要切實提高自主創新能力、增大人才儲備。打鐵還需自身硬,中國芯片目前遇到的難題,歸根結底都是源于我國的芯片技術落后、可用之人不足。

只有掌握先進技術、培養可靠人才,加快關鍵設備的生產技術、提高儀器精度、建立獨立的研發體系,才能盡快實現中國人制造中國芯,打破受制于人的局面。

結語

隨著5G和AI的興起,中國迎來了新的發展機遇。

盡管眼下中國芯片的發展遇到了阻礙,但回顧中國芯片的發展歷程,這條崛起之路從來都不是一帆風順的。

所有的機遇都與挑戰相伴,如果上世紀沒有舉步維艱的困境,或許我國的核彈和原子彈也不會很快的制造出來。

同理,中國的絕大多數科技都是在曲折中摸索出來的,今天的芯片產業也不是我們遇到的首次挫折了。

從之前積累的經驗和當時對于時局的思考中,中國芯片面臨的問題已經顯而易見了,需要做的就是緊抓制造不足進行突破。

雄關漫道真如鐵,而今邁步從頭越。如今遇到的問題只是暫時的阻礙,國家和企業都已經用行動表明了攀越的決心,中國芯片的崛起已然在路上了。



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