电子科大张波教授：当下是我国特色工艺产品发展的最好时间

12月24—25日，由张江高科、全球领先的半导体产业智库芯谋研究联合举办的“第八届张江高科·芯谋研究集成电路产业领袖峰会”在上海浦东召开。

在次日的“芯片设计分论坛”中，电子科技大学集成电路中心主任、教授张波现场发表了题为《后摩尔时代的特色工艺及中国发展机遇》的精彩演讲。以下是张波教授演讲全文，略经编辑。

2019年我曾在一次演讲中以特色工艺与中国发展机遇为题做过主旨报告。很高兴看到去年3月国家发布的“十四五”规划和2035年远景目标纲要中，第一次将特色工艺与先进工艺技术放在一起提出要求。这对产业的影响意义非凡。

要谈到半导体工艺，肯定离不开摩尔定律。去年美国半导体工业协会的报告强调了摩尔定律两个相互依存的重要因素：一是晶体管集成度每两年大致翻一番，二是成本降低。所以，离开成本只谈技术是一个悖论。

长期以来，摩尔定律支持着微电子技术向前发展，但早期摩尔定律的指引属于一维发展，是单纯靠线宽的降低来推动性能的提升。这样的性能提升还在不断发展，从IMEC最新的工艺路径可以看到，工艺节点已经看向0.2纳米。但这样的发展也带来了成本的急剧增加。现在先进的制造线动辄百亿美元，远远超过了核电站的建造成本，价格非常昂贵。不光建厂成本昂贵，工艺研发费用、工艺产品的开发费用都在急剧上升。所以要开发先进工艺和先进工艺产品不是一家小公司可以做到的。

集成度提高、功能提升、价钱降低，满足这几条摩尔定律才会形成良性的正反馈，才能推动整个行业不断往前发展。国际上对此早有认识，2005年国际半导体技术路线图就提出“More Moore”与“More than Moore”两条路径。

“More Moore”，就是依赖尺寸进步的先进工艺，要不断往前走。“More than Moore”，“02专项”把它称为“非尺寸依赖特色工艺”，其发展不一定是完全靠线宽的缩小，因此也称之为“拓展摩尔定律”。此外，还有一个非常重要的先进封装技术，包括SIP等。先进封装无论是在“More than Moore”还是“More Moore”的未来发展中，都将发挥越来越重要的作用，帮助整个半导体技术从一维向着三维、多维度迭代发展。

“More than Moore”，“02专项”称为的“非尺寸依赖特色工艺”，包括嵌入式闪存、RF CMOS、BCD工艺等。根据“More than Moore”白皮书对“More than Moore”的定义，器件价值或者性能的提升，不完全靠尺寸缩小，而是通过功能的增加。因此我们有了“非尺寸依赖的特色工艺”这样一个对“More than Moore”对应工艺的称谓。

“非尺寸依赖的特色工艺”拥有四大特点：一是性能非尺寸依赖；二是建厂与运营成本低；三是工艺相对成熟、产品研发投入相对较少；四是国内在此方面的设备、材料、零部件产业链基础相对较好。

除此之外，特色工艺还有如下一些特点。首先，特色工艺平台繁多、种类庞杂、多种工艺平台并存。以模拟集成电路著名代工厂德国X-FAB公司为例，就包括了四大平台，CMOS和SOI、MEMS、宽禁带半导体、异质集成。工艺节点从130nm到1um，五种工艺节点共存，这还是今年整合后的结果，以前工艺节点还更细分，从130nm到1um含7个工艺节点。即使整合后的180nm节点的CMOS工艺，也保留有四种类型的工艺平台，包括硅基和SOI基，分别对应不同的应用需求。特色工艺不仅平台多、产品类型多、同一类器件品种还多，如功率MOS器件，英飞凌公司的硅基功率MOS器件从12V到950V，从汽车级到工业级，种类多达2500余种，此外还配有4、5百种各种拓扑结构的栅驱动IC产品。为何功率器件的驱动IC都有几百种，这是因为不同的场控器件，不同的应用架构，特定优化的驱动会带来更好的能量转换效率。特色产品属于模拟器件种类，跟应用环境密切相关。这也是国内发展特色工艺产品的一大优势。

从市场格局来看，特色工艺产品没有一家独大或者垄断的情况。特色工艺产品与数字产品不同，数字产品一家独大，基本上被垄断。CPU、FPGA、Memory基本前几家已经垄断，后面的企业很难发展。但是特色工艺产品由于其产品属性，很难有垄断企业。以功率半导体器件为例，早期前十大企业只占60%左右，2021年缺货行情影响下前十大占了65%。这样的行情下前十大才占了65%，意味着后面企业有着很多机遇。仅功率半导体领域，整体产品种类太多，没有任何一家企业可以覆盖完所有用户，支撑所有用户。这就给了更多企业机会，有众多企业在各个小赛道上奋力往前走。

再放大到模拟芯片，模拟芯片也是如此。模拟IC市场，TI市场占比19%排名第一，前十大以外还有30%左右的市场可以发展。同时，特色产品市场也在不断往前发展，光电、传感等领域都在以一定增长速度发展。功率半导体2001年只占整个半导体市场8%左右，最近几年占比超过10%。无论新能源汽车还是“双碳”经济都需要大量的能量高效转换，都需要功率半导体。所以功率半导体整体发展趋势比整个集成电路发展要快。

特色工艺产品市场在不断扩大，“非尺寸依赖的特色工艺”在可预见的将来仍然有很大的市场。

特色工艺品种众多、无垄断企业、市场不断扩大，同时与应用强相关。从这样几点看，中国发展特色工艺产品有着很好的机遇。

中国是制造大国，也是集成电路市场应用的大国。在市场的驱动下，中国集成电路产业得到了迅速发展，整体发展有目共睹。但我国自身发展速度还满足不了市场需求。去年我国集成电路进口额达4325.54亿美元，进口额不断攀升。但值得注意的是，虽然进口额很高，但单价非常低，均价仅有0.68美元。进一步区分来看，集成电路进口额均价在4.40元人民币，二极管及类似半导体器件进口均价0.26元人民币。也就是说，我们不仅进口动辄上千元人民币的大量高端CPU、FPAG等，我们还进口了大量的价格不高的特色工艺产品。为什么这些价格并不高的国产特色工艺产品没有占据大部分的国内市场？

这是因为芯片特别是特色工艺芯片需要在试错中迭代发展，没有试用机会，很难发展起来。在目前复杂的产业形势下，总体来看特色工艺产品有了很大的替代空间。我们需要给予国内产业更多的试用机会，在试用迭代中发展壮大。

有了替代空间，我们是否有产业基础呢？我们欣喜看到，近几年国内建了一大批产线，大部分都是特色工艺产品生产线。大家都认识到特色工艺是非常赚钱的一个产业。从美国半导体行业协会发布的最新数据可以看出，特色工艺产品是我国国内唯一占比超过10%的领域。2018年前全球十大功率半导体没有一家中国企业。从最新的芯谋研究报告中看，全球功率半导体前20企业中已经有6个中国企业，前10家里也有了2家，且排名上升非常快。窥一斑而知全豹，从中可以看出国内特色工艺产品这几年得到快速发展。

“星星之火，可以燎原”，半导体产业也是如此。不能因为特色工艺是“非尺寸依赖的工艺”，就认为它不先进，没有发展前途。在当前复杂的环境下，我国集成电路产业发展完全可以采用“农村包围城市”的思路。而“农村包围城市”的核心就是将特色工艺产品做大做强，深入融入全球半导体产业链，同时更多满足整体市场需求，夯实基础，最终我国半导体产业实现整体大发展。所以，特色工艺产品真的到了国家最好的发展机遇，也是我们这代半导体人最好的时间。