详解我国半导体领域未掌握的十大核心技术

发表于： 2020年11月5日 2020年11月5日
分类：是说芯语

半导体行业是典型的“金字塔”结构，越上游的企业越少，产值越大，技术难度越高。由于起步晚、核心技术缺乏、人才短缺，我国半导体发展受到了很大的限制，由于未能掌握核心技术，时常被别人卡脖子，到目前为止，关键芯片领域仍依赖于进口。

2018年的中兴事件，我们还历历在目！前不久，美国仰仗其掌握的核心半导体技术和设备，升级了对华为的制裁，企图限制华为和我国在高科技领域的发展！

美国拿起了他们的“科技”之矛刺向了我国“缺芯”的软肋，在给我国半导体行业敲响警钟的同时，也让很多人和很多企业清醒的认识到，依赖于美国技术是靠不住的，唯有掌握核心科技，摆脱技术依赖才是王道！

目前我国已经将半导体行业的发展提升到一个战略高度，将半导体行业列为国家重点发展产业，投入了大量资金和人才，以求技术上有所突破，力争早日走上自主研发、自给自足的道路。目前涵待突破的是以下几大领域的核心技术。

高端光刻机

作为集成电路产业的核心装备，光刻机被称为“人类最精密复杂的机器”。当前全球能制造高端光刻机的只有荷兰的ASML，制造中低端光刻机则是日本的尼康和佳能，它们市场份额超过八成。

光刻系统，它是芯片制造核心中的核心，光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤，耗时长、成本高。半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上，这一过程通过光刻来实现，光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。

高端光刻机堪称现代光学工业之花，其制造难度非常大，现在ASML的最先进的EUV极紫外线光刻机已经能够制造5nm制程的芯片了，单台光刻机的售价已经超过了1亿美元，中国完全自主生产的光刻机目前只能达到90nm制程，差了一大截。

光刻机的研制到底难在哪？光刻机涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术，是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备。ASML为能够在整个设备的不同部位同时获得世界上最先进的技术，ASML的光刻机中超过90%的零件都是向外采购的，ASML在技术研发方面汇聚了世界最前沿最顶尖的科技，比如德国的机械工艺、德国顶级的蔡司镜头、美国的光源和计量设备等，可以说ASML的高端光刻机是“集人类智慧大成的产物”。

国际顶级厂商：ASML阿斯麦尔（荷兰）

中国厂商：SMEE上海微电子

CPU

CPU是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心和控制核心。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。中央处理器主要包括运算器（算术逻辑运算单元）和高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线。它与内部存储器和输入/输出设备合称为电子计算机三大核心部件。CPU依靠指令来自计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。

美国的英特尔、AMD，几乎基本占据了全球所有PC市场。国产CPU的应用领域既涵盖了嵌入式设备、服务器设备等专业领域，也同时面对消费级民用市场。由于服务对象和应用领域的巨大分歧，不同类型的国产CPU在国人心中存在感相去甚远，如专门针对服务器的飞腾、申威等，知名度不高。

CPU发展迅速，主频、算力和功耗是衡量其性能的重要指标。作为后来者，中国的研制水平总是离世界先进水准差一截，如龙芯的性能似乎总跟着英特尔后面跑，龙芯是中国科学院计算所自主研发的通用CPU，采用RISC指令集，类似于MIPS指令集。不过，龙芯的研制成功助力复兴号高铁实现了100%国产，让四代机歼20相控雷达和北斗卫星都装上了中国芯。

在移动端的CPU领域，美国高通的地位依然不可撼动。华为海思的麒麟CPU做的已经足够好，虽然是站在英国ARM这个巨人的肩膀上的。紫光展锐在移动端的CPU芯片上也有所斩获。但令人气愤的是，最近美国将对华为的制裁升级，企图限制华为在半导体芯片领域的发展，麒麟CPU的未来还是个未知数。

国际顶级厂商：Intel英特尔（美国）、AMD（美国）

中国厂商：华为海思、紫光展锐、龙芯中科（龙芯CPU）、天津飞腾（飞腾CPU）、上海兆芯（兆芯CPU）等

EDA芯片设计软件

目前国际上主要有三大集成电路EDA软件公司，分别是Mentor Graphics、Cadence和Synopsys。这三家美国公司在EDA行业的市占率几乎形成了垄断。而目前能涵盖整个芯片设计和生产环节的EDA提供商只有Cadence和Synopsys。

英特尔、苹果和高通等芯片生产与设计大厂都需要向这两家公司采购EDA软件和相关服务。中国顶级芯片设计公司华为海思、长江存储、紫光展锐等都要向这些美国公司购买EDA设计软件。

国内的EDA厂商华大九天、芯禾科技、广立微等只能提供部分EDA设计工具，无法提供覆盖IC 设计、布线、验证和仿真等整个产业链的EDA工具。而且国产EDA软件和先进工艺的结合不好，对先进工艺的芯片支持不够。所以，国产EDA公司的技术能力还远无法和这些国际顶级EDA公司抗衡。

国际顶级厂商：Mentor Graphics（美国）、Cadence（美国）、Synopsys（美国）

中国厂商：华大九天、芯禾科技、广立微等

DRAM/NAND Flash

DRAM即动态随机存取存储器，最为常见的系统内存。美国镁光、韩国三星和SK海力士占据绝对垄断地位，在DRAM市场呼风唤雨。

中国三大存储芯片企业长江存储、合肥长鑫、兆易创新，纷纷开始布局，投产存储芯片，有望打破韩美日垄断存储芯片的局面。

长江存储今年实现了64层基于Xtacking架构3D NAND闪存的量产，紧接着他们直接跳过业界常见的96层，成功研发出128层3D NAND闪存。

合肥长鑫于2019年实现了采用19nm工艺的8G DDR4内存的量产，并于今年将自主研发的光威弈PRO DDR4内存正式商用，推向消费者市场。

兆易创新在NOR flash国内市场占有率为第一，同时也是全球NOR flash排名前三的供应商之一，目前正逐步向NAND flash扩张，并积极布局DRAM业务。

DRAM是这几大待突破的半导体核心技术中，最有可能大规模国产化的一项技术，值得期待。

国际顶级厂商：镁光（美国）、三星（韩国）、SK海力士（韩国）等

中国厂商：长江存储、合肥长鑫、兆易创新

超高射频芯片

射频芯片指的就是将无线电信号通信转换成一定的无线电信号波形，并通过天线谐振发送出去的一个电子元器件。射频芯片架构包括接收通道和发射通道两大部分。对于现有的GSM和TD-SCDMA模式而言，终端增加支持一个频段，则其射频芯片相应地增加一条接收通道，但是否需要新增一条发射通道则视新增频段与原有频段间隔关系而定。

中国是世界最大的手机生产国，但造不了高端的手机射频器件，这需要材料、工艺和设计经验的踏实积累。国内从事中低端射频芯片的企业众多，也占据了相当一部分市场，但在高端射频芯片领域，仍有较大上升空间。

国际顶级厂商：Skyworks思佳讯（美国）、Qorvo威讯联合（美国）等

中国厂商：紫光展锐、唯捷创芯、中普微等

CPLD/FPGA

CPLD是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。

FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

进入FPGA这个行业的门槛很高。过去十多年时间里，Intel、IBM、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星等60多家公司曾试图涉足该领域，除Intel以167亿美元收购阿尔特拉成功进军该领域之外，其余公司纷纷折戟沉沙。目前的FPGA市场，FPGA巨头都在美国，Xilinx，Altera，Lattice，Actel，Atmel，Avago，Cypress等，各自都有自己的独门秘密武器。其中Xilinx是全球FPGA的霸主，千万门级，16纳米的领先者；Actel是反熔丝的先驱，宇航级的开拓者，其他任何一家的产品，都是工业级、军工级，宇航级产品不可缺少的核心芯片，也是全世界国家从事尖端科技的短板和苦主。其中，Xilinx（赛灵思）和Altera（阿尔特拉）两家公司占据了90%的市场份额。国内厂商在技术水平上和国外大厂的差距很大。虽然国内FPGA厂商有百家争鸣之势，但基本分布在中低端市场，大多是一些1000万门级左右的FPGA，少数达到2000万门级的FPGA虽然也有自主研发的。中国电科专用领域的3500万门级FPGA和中国电子7000万门级FPGA，是一次重大技术突破。

紫光同创持续引领中国FPGA产业发展，在实现国内首款千万门级FPGA产品的量产出货后，加速启动研制并陆续补充完善3000万门以下规模中低端器件的全部产品型号，其中Logos和Compact全系列器件已经量产，Logos2和Titan2系列器件将于今年全部上市量产，可以满足国内所有中低端应用需求，市场份额覆盖60%左右，基本能够满足中国电子信息产业的稳定发展需求。

国外顶级厂商：Xilinx赛灵思（美国）、Altera阿尔特拉（美国）等

中国厂商：深圳紫光同创、上海复旦微电子、京微齐力等

DSP芯片

DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。

DSP芯片自诞生以来得到了飞速发展，一方面得益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的市场。在短短二十年时间里，DSP芯片已在信号处理、通信、雷达、图像、军事、仪器、自动化等众多领域得到广泛的应用。

目前，全球DSP芯片市场仍是巨头垄断，德州仪器、ADI、飞思卡尔、Motorola公司等都是这个行业的佼佼者。国产DSP芯片起步晚， 2006年中电十四所与龙芯公司合作开发国产DSP芯片。2012年它们研发的 “华睿1号”性能优于飞思卡尔公司的MPC8640D，2017年，国产DSP芯片“华睿二号”走向市场。

国外顶级厂商：TI德州仪器（美国）、ADI亚德诺半导体（美国）等

中国厂商：中电14所、中电38所、湖南进芯电子、北京中星微电子等

GPU

又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上图像运算工作的微处理器。用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动，并向显示器提供行扫描信号，控制显示器的正确显示，是连接显示器和个人电脑主板的重要元件，也是“人机对话”的重要设备之一。

提到GPU，最先想到的是英伟达，它占据全球GPU市场一半以上的市场份额，AMD的GPU也占有一席之地。中国的GPU企业尚未形成巨大规模，相关技术也在积极研制之中，目前国内在研究GPU的企业有上海兆芯、华为、图芯、天数智芯，华夏芯、芯视图、中船重工709所、中航631所等。据OFweek电子工程网编辑获悉，中国船舶重工集团公司研究的完全具备自主知识产权的凌久GP101，刷新了我国在国产显卡领域的空白，凌久GP101是一款高性能低功耗的，图形处理芯片，要和欧美等先进厂商相比，还有很大的距离，它要达到世界领先水平，还有漫长的路要走。

国外顶级厂商：Imagination（英国）、高通（美国）、NVIDIA英伟达（美国）、AMD（美国）等

中国厂商：景嘉微、上海兆芯

MPU