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半導體對于我們的重要性不言而喻,它涉及方方面面,通訊、計算機、消費電子、汽車、工控、照明、醫(yī)療等行業(yè)分分鐘離不開它。近年來,隨著全球AI、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等發(fā)展,半導體行業(yè)迎來了更大的爆發(fā),據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計,2017年全球整體半導體市場規(guī)模達4,203.93億美元,較2016年3,458.51億美元,大幅成長21.6%。
半導體行業(yè)是典型的“金字塔”結構,越上游的企業(yè)越少,產(chǎn)值越大,技術難度越高。由于起步晚、核心技術缺少,我國半導體發(fā)展受限,尤其是核心技術方面,仍有尚未掌握的關鍵技術,到目前為止,關鍵芯片領域依賴于進口仍是現(xiàn)狀。正因如此,我國將半導體列為國家重點規(guī)劃產(chǎn)業(yè),并在資金、人才、技術上下苦功,力爭突破瓶頸,振興國產(chǎn)半導體產(chǎn)業(yè)。
這些半導體核心技術仍待突破
1、頂尖光刻機
作為集成電路產(chǎn)業(yè)的核心裝備,光刻機被稱為“人類最精密復雜的機器”。據(jù)OFweek電子工程網(wǎng)編輯了解,當前全球能制造高端光刻機的只有荷蘭的ASML、日本的尼康和佳能三大企業(yè),它們市場份額超過八成。
光刻機又名掩模對準曝光機,曝光系統(tǒng),光刻系統(tǒng),它是芯片制造核心中的核心,光刻是半導體芯片生產(chǎn)流程中最復雜、最關鍵的工藝步驟,耗時長、成本高。半導體芯片生產(chǎn)的難點和關鍵點在于將電路圖從掩模上轉移至硅片上,這一過程通過光刻來實現(xiàn),光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。
高端光刻機堪稱現(xiàn)代光學工業(yè)之花,其制造難度非常大,現(xiàn)在其最先進的EUV(極紫外光)光刻機已經(jīng)能夠制造7nm以下制程的芯片了,單臺光刻機的售價已經(jīng)超過了一億美元,中國完全自主生產(chǎn)的光刻機只有可憐的90nm制程,差了一大截。光刻機的研制到底難在哪?并非光刻機技術原理難懂,而是光刻機的制造工藝復雜。一臺先進的光刻機有5萬多個零件,設計生產(chǎn)不容易,難點是里面的每一步都要求最先進的工藝和零件。
2、觸覺傳感器
傳感器被稱為工業(yè)的藝術品,它與計算機、通信被稱為信息系統(tǒng)的三大支柱,傳感器技術優(yōu)劣是衡量一個國家科技水平和是否處在國際戰(zhàn)略競爭制高點的重要標志,是發(fā)達國家高度重視和爭相發(fā)展的核心基礎技術。觸覺傳感器是用于機器人中模仿觸覺功能的傳感器。按功能可分為接觸覺傳感器、力-力矩覺傳感器、壓覺傳感器和滑覺傳感器等。
我國觸覺觸感器發(fā)展緩慢的原因之一是工藝不過關,精確、穩(wěn)定的嚴苛要求攔住了我國大部分企業(yè)向觸覺傳感器邁進的步伐。除了生產(chǎn)工藝,材料純度也是從實驗室到工業(yè)生產(chǎn)的“扼咽之處”。導電橡膠、導電塑料、碳納米管、石墨烯等都是可用作觸覺傳感器的材料。目前,國內(nèi)石墨烯的生產(chǎn)還可以,但用石墨烯制作傳感器的技術還不成熟。由于國內(nèi)觸覺傳感器起步晚,專利問題是繞不過了!在技術追趕過程中,后來者必須繞過先行者的相關專利保護,除非找到明顯更優(yōu)解,否則很可能會因為繞過專利而提高技術達成的門檻,這些對于觸覺觸感器的國產(chǎn)化而言都是難關。
未來,觸覺傳感器將朝向更加柔性化、小型化、智能化、人性化方向發(fā)展,觸覺傳感器的適用范圍將大大拓寬,在人機交互系統(tǒng)、智能機器人、移動醫(yī)療等領域具有巨大的應用前景。
3、DSP芯片
DSP芯片即指能夠實現(xiàn)數(shù)字信號處理技術的芯片。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結構,具有專門的硬件乘法器,廣泛采用流水線操作,提供特殊的DSP指令,可以用來快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。
DSP芯片自誕生以來得到了飛速發(fā)展,一方面得益于集成電路的發(fā)展,另一方面也得益于巨大的市場。在短短二十年時間里,DSP芯片已在信號處理、通信、雷達、圖像、軍事、儀器、自動化等眾多領域得到廣泛的應用。
目前,全球DSP芯片市場仍是巨頭壟斷,德州儀器、ADI、飛思卡爾、Motorola公司等都是這個行業(yè)的佼佼者。國產(chǎn)DSP芯片起步晚, 2006年中電十四所與龍芯公司合作開發(fā)國產(chǎn)DSP芯片。2012年它們研發(fā)的 “華睿1號”性能優(yōu)于飛思卡爾公司的MPC8640D,2017年,國產(chǎn)DSP芯片“華睿二號”走向市場。
CPU是一塊超大規(guī)模的集成電路,是一臺計算機的運算核心(Core)和控制核心( Control Unit)。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。中央處理器主要包括運算器(算術邏輯運算單元,ALU,Arithmetic Logic Unit)和高速緩沖存儲器(Cache)及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)(Data)、控制及狀態(tài)的總線(Bus)。它與內(nèi)部存儲器(Memory)和輸入/輸出(I/O)設備合稱為電子計算機三大核心部件。CPU依靠指令來自計算和控制系統(tǒng),每款CPU在設計時就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。指令的強弱也是CPU的重要指標,指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。
美國的英特爾、超威半導體公司,在CPU領域占據(jù)一半以上的市場。國產(chǎn)CPU的應用領域既涵蓋了嵌入式設備、服務器設備等專業(yè)領域,也同時面對消費級民用市場。由于服務對象和應用領域的巨大分歧,不同類型的國產(chǎn)CPU在國人心中存在感相去甚遠,如專門針對服務器的飛騰、申威等,知名度不高。
CPU發(fā)展迅速,算力和功耗是衡量其性能的重要指標。作為后來者,中國的研制水平總是離世界先進水準差一截,如龍芯的性能似乎總跟著英特爾后面跑,龍芯是中國科學院計算所自主研發(fā)的通用CPU,采用RISC指令集,類似于MIPS指令集。好消息是,2015年,中國發(fā)射首枚使用“龍芯”北斗衛(wèi)星。
又稱顯示核心、視覺處理器、顯示芯片,是一種專門在個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設備(如平板電腦、智能手機等)上圖像運算工作的微處理器。用途是將計算機系統(tǒng)所需要的顯示信息進行轉換驅動,并向顯示器提供行掃描信號,控制顯示器的正確顯示,是連接顯示器和個人電腦主板的重要元件,也是“人機對話”的重要設備之一。
提到GPU,最先想到的是英偉達,它占據(jù)全球GPU市場一半以上的市場份額,AMD的GPU也占有一席之地。中國的GPU企業(yè)尚未形成巨大規(guī)模,相關技術也在積極研制之中,目前國內(nèi)在研究GPU的企業(yè)有上海兆芯、華為、圖芯、天數(shù)智芯,華夏芯、芯視圖、中船重工709所、中航631所等。據(jù)OFweek電子工程網(wǎng)編輯獲悉,中國船舶重工集團公司研究的完全具備自主知識產(chǎn)權的凌久GP101,刷新了我國在國產(chǎn)顯卡領域的空白,凌久GP101是一款高性能低功耗的,圖形處理芯片,要和歐美等先進廠商相比,還有很大的距離,它要達到世界領先水平,還有漫長的路要走。
6、MPU
MPU又叫微處理器或內(nèi)存保護單元。MPU是單一的一顆芯片,而芯片組則由一組芯片所構成,早期甚至多達7、8顆,但目前大多合并成2顆,一般稱作北橋(North Bridge)芯片和南橋(South Bridge)芯片。MPU是計算機的計算、判斷或控制中心,有人稱它為”計算機的心臟”。
英特爾、高通、三星、飛思卡爾、聯(lián)發(fā)科及展訊等供應商是這個市場的領導者。國產(chǎn)的MPU市場占有率非常小,幾乎為零,華大、華為、紫光國芯等企業(yè)在加大研發(fā)相關技術。
7、DRAM / NAND Flash
即動態(tài)隨機存取存儲器,最為常見的系統(tǒng)內(nèi)存。DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時間。為了保持數(shù)據(jù),DRAM使用電容存儲,所以必須隔一段時間刷新(refresh)一次,如果存儲單元沒有被刷新,存儲的信息就會丟失。 英特爾、德州儀器、IBM、韓國三星和海力士占據(jù)絕對壟斷地位,在DRAM市場呼風喚雨。
長江存儲、合肥長鑫、福建晉華是中國存儲領域的三大新勢力,2019年會是中國存儲產(chǎn)業(yè)的關鍵年,屆時有福建晉華、合肥睿力的 DRAM 技術量產(chǎn),更有長江存儲轉進 64 層 3D NAND 的研發(fā)和生產(chǎn)。未來兩年將有可能左右未來十年中國存儲產(chǎn)業(yè)的命運。
DRAM是這十大待突破的半導體核心技術中,最有可能大規(guī)模國產(chǎn)化的一項技術,值得期待。
8、CPLD / FPGA
CPLD是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件,相對而言規(guī)模大,結構復雜,屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺,用原理圖、硬件描述語言等方法,生成相應的目標文件,通過下載電纜(“在系統(tǒng)”編程)將代碼傳送到目標芯片中,實現(xiàn)設計的數(shù)字系統(tǒng)。
FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列,它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。
進入FPGA這個行業(yè)的門檻很高。過去十多年時間里,Intel、IBM、摩托羅拉、飛利浦、東芝、三星等60多家公司曾試圖涉足該領域,除Intel以167億美元收購阿爾特拉成功進軍該領域之外,其余公司紛紛折戟沉沙。目前的FPGA市場, Xilinx(賽靈思)和Altera(阿爾特拉)兩家公司占據(jù)了90%的市場份額。
除了市場份額低之外,國內(nèi)廠商在技術水平上和國外大廠的差距很大。雖然國內(nèi)FPGA廠商有百家爭鳴之勢,但基本分布在中低端市場,大多是一些1000萬門級左右的FPGA,少數(shù)達到2000萬門級的FPGA雖然也有自主研發(fā)的。中國電科的3500萬門級FPGA和中國電子7000萬門級FPGA,是一次重大技術突破。
9、高端伺服電機
伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉的發(fā)動機,是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度,位置精度非常準確,可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制,并能快速反應,在自動控制系統(tǒng)中,用作執(zhí)行元件,且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性,可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。
德國企業(yè)是伺服電機的領航者,倫茨、博世力士樂、路斯特、倍福等全球知名企業(yè)眾多,市場份額巨大。國產(chǎn)伺服電機目前的現(xiàn)狀是未形成巨頭級企業(yè)。小功率、小型化伺服電機居多,高端伺服電機較少。在一些高檔的應用上,尤其是在輕載6kg左右的桌面型機器人上,高端的國產(chǎn)化產(chǎn)品稀少。
10、超高射頻芯片
射頻芯片指的就是將無線電信號通信轉換成一定的無線電信號波形, 并通過天線諧振發(fā)送出去的一個電子元器件。射頻芯片架構包括接收通道和發(fā)射通道兩大部分。對于現(xiàn)有的 GSM和TD-SCDMA模式而言,終端增加支持一個頻段,則其射頻芯片相應地增加一條接收通道,但是否需要新增一條發(fā)射通道則視新增頻段與原有頻段間隔關系而定。
中國是世界最大的手機生產(chǎn)國,但造不了高端的手機射頻器件,這需要材料、工藝和設計經(jīng)驗的踏實積累。國內(nèi)從事中低端射頻芯片的企業(yè)眾多,也占據(jù)了相當一部分市場,但在高端射頻芯片領域,仍有較大上升空間。
綜述:中國擁有全球最大的半導體消費市場,因核心技術缺少,中國對美國的半導體進口額超過1000億美元,排名世界第一。中國是芯片的消耗和進口大國,2017年集成電路進口金額2601億美元,金額位列中國進口商品之冠。
“國產(chǎn)化”是未來的一大趨勢,這些國內(nèi)未解決的半導體核心技術均是世界級難題,其難度不亞于造“航空母艦”。對于企業(yè)和技術人員來說,沉下心去做事方能尋求突破和發(fā)展,切勿急于求成,被市場蒙蔽了雙眼,得不償失。咨詢熱線
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