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坚持创新谋发展,国内集成电路产业萌发“芯”力量

2021-08-03
作者:王洁
来源:电子技术应用

7月15-16日,以“应用引领,创新驱动”为主题的“2021中国集成电路设计创新大会暨IC 应用博览会”(ICDIA 2021)在苏州狮山国际会议中心圆满举办。ICDIA是继ICCAD之后,集成电路设计领域又一重要会议,来自IC领域的众多专家和业内专业人士围绕集成电路产业现状与发展,机遇与挑战,趋势与走向等话题发表主题演讲,会后众多产业界的负责人在接受媒体采访时也进一步分析了自己的观点。

国内集成电路产业快速发展,但高端通用芯片自给率低

中国集成电路设计创新联盟专家组组长时龙兴教授(图源:ICDIA)

对于集成电路产业产业链,中国集成电路设计创新联盟专家组组长时龙兴教授将其形象地比喻为一棵树:“我把集成电路的产业链比作一棵树,树根的关键就是设备,材料,EDA,树干是制造业,树枝是芯片设计,长出的果实是芯片产品。因此,集成电路以产品为中心,以系统对芯片的需求来引领,定义好芯片后首先做设计,之后制造,封测,最后芯片放到系统里构成产品,这个过程中设计是龙头。”

近几年,集成电路产业得到了快速发展,国内三业(设计,制造,封测)总规模达到了7600亿元,在很多大宗产品领域已经形成了批量供货能力,如手机SOC,数字电视SOC,指纹芯片,射频芯片,功率半导体等;在一些关键的高端通用芯片上面也实现了一定突破,如超算CPU,服务器CPU,嵌入式CPU,GPU,AI芯片,存储,FPGA等。

但是,目前高端通用芯片总体上依然被国外垄断,CPU 95%的产品还是来自Intel,AMD两家;GPU 2021年一季度的统计68%来自Intel,17%来自AMD,15%来自NVIDIA,独立显示以NVIDIA为主;内存方面,韩国的三星,海力士加上美国的美光三大家基本上占据了95%的市场;FPGA方面,赛灵思和Intel(Altera)两家占据市场份额95%以上;通信芯片相对好一些,但是Murata,Skyworks,Broadcom,Qorvo,Qualcomm实际占到了79%的份额。

国内高端芯片的供给在很多CPU,GPU,FPGA上基本上仅有0.5-1%的份额,仅仅是有,而达不到真正供应链安全和供货的能力。

另外,国内集成电路产业整体呈现“小而散”的状态,同质化问题严重,如通讯类的设计企业有498家,模拟类芯片的设计企业有270家,消费类的设计企业有966家。

尽管国内集成电路产业在设计领域发展更快,但体量依然较小。根据IC Insight的数据显示,在全球IC设计业销售占比中,美国份额达到了64%,中国仅为15%。

从研发投入来看,美国芯片设计企业的研发投入占比则达到了16.4%,而中国大陆的芯片设计企业的平均研发投入在营收中的占比仅为8.3%,差距很大。

此外,新兴制造工艺的追赶目前来看还是非常艰难,国内规模最大的中芯国际在先进制程发展受阻,时龙兴教授指出,成熟工艺打磨是接下来值得重点关注的内容。

目前75%的电路实际上都可以用28nm工艺实现,国内28-45nm的产能占全球15%左右,45nm以上占到23%,有很大的攻克空间,因此针对28nm的成熟工艺强化从可用到好用的打磨,释放国产的产能是缓解产品供应链供给不足的很重要的方向。

创新发展是出路

中国集成电路创新联盟,中国科学院龙8在线官方研究所叶甜春教授(图源:ICDIA)

“从目前的发展形势看,我国电子信息制造业规模也在突破,从2008年的5.12万亿元增长到2020年的16.72万亿元。同时,规模提升之外,技术也在逐渐实现突破。”中国集成电路创新联盟,中国科学院龙8在线官方研究所叶甜春教授指出,经过六十年的发展,特别是过去十二年的努力,中国集成电路产业进入了一个新阶段,已经建立起一个较完整的技术体系和产业实力,并非“一无所有”,妄自菲薄和盲目自大都不可取。

叶甜春教授给出了三点建议:

第一,保持定力,稳住阵脚,持之以恒最好自己的事情。

叶甜春教授表示,集成电路是我们自己自立自强的问题,对供应链安全不能再抱有幻想,从薄弱的地方开始往前走往往成本很高,但一定要坚持去做;开放合作是不变的道路,任何一个国家的力量都不可能做全,对于全球化我们既不能够依赖,也不能够放弃,我们需要的是改革,打造一种全球合作新生态不被制约的全球合作新生态;解决办法不是不断地打补丁,缺一个补一个,而是靠创新,形成特色优势,打造行业良性生态环境。

第二,从自身发展到全球产业格局,中国IC产业都需要再定位。

叶甜春教授表示,未来的发展重点是要以产品为中心,以行业解决方案为牵引,利用中国市场优势,利用“双循环”开辟新的增长空间,创造合作共赢机遇,推动全球产业链发展。

第三,技术创新是大趋势,架构设计创新也是必由之路。

摩尔定律逐渐走到极限,仍然有新的创新机遇,将已有的制造潜能发挥出来,用更少的晶体管实现更强大的功能;平面到3D将成为技术演进的新路径,架构创新也将成为新的焦点。

中国集成电路封测创新联盟副理事长兼常务秘书长,中科院龙8在线官方所副所长曹立强(图源:ICDIA)

当前国内的封测产业技术发展非常快,产业规模不断扩大,但与国际的龙头企业的差距依然存在。如何破解?产业链上下游协同创新是关键。中国集成电路封测创新联盟副理事长兼常务秘书长,中科院龙8在线官方所副所长曹立强指出,未来产业链应持续协同创新,抓住机遇,充分发挥我国作为全球规模最大,增长最快的市场优势,强化特色工艺及封装测试产业链协同创新。

EDA,IP,高端芯片等重要环节压力中萌发

在集成电路产业中,EDA是产业基础,而恰恰EDA是目前产业环节里是受制于人最严重的环节。国内EDA市场超过八成份额由三巨头(美国Synopsys,Cadence,Siemens)占据,并且排在前十的EDA公司中有7家都是美国公司。

EDA市场并不大,全球约70亿美金的市场,而作为集成电路行业最基础的实现工具,可谓是撬动电子信息产业的有力杠杆。尽管产业环境非常严峻,近年来国内还是涌现了一大批国产自主EDA公司。据悉,截止到2021年6月底,国内的EDA厂家就有64家。

北京华大九天科技股份有限公司董事长刘伟平指出EDA产业有三大特点:

第一,技术要求很高。

第二,需要全产业链生态的支持。

第三,EDA不是任何一家企业单打独斗能够解决问题,合作甚至整合才能最终把EDA的流程和平台搭建起来。

行芯科技是国内较早从事先进工艺的EDA研发企业之一,从2018年至今已有多款EDA产品面世,在全球范围内得到广泛应用,产品覆盖面广泛,不仅面向芯片设计企业,晶圆厂与封测厂都有涉足。

“国内现在涌现了一批刚性的国产EDA工具使用客户。随着国内芯片设计公司自身设计能力的成长,高端需求持续增长,对EDA工具的要求也在逐步提升,同时这样的客户数量也在大大增加。技术和市场机遇使国产EDA厂商的数量在近两年时间内发生了巨大的增长。” 杭州行芯科技有限公司CEO贺青表示。

行芯科技很低调,尽管产品应用已经很成熟,但之前鲜少见到相关报道。据介绍,行芯科技目前已有百余人规模,研发人员占比90%以上,在没有专职销售团队的情况下,客户订单需求处于满负荷状态,并且在可见未来会一直持续。 “对于芯片设计公司和fab厂而言,先进工艺遇到的问题比想象中多得多,但是它可以选的供应商很少,我们的产品出现时,让客户眼前一亮。”贺青表示,“行芯科技从2018年到现在迅速推出了这么多的产品,而国外的企业往往要更长的时间,主要有两个原因:第一,整个团队特别聚焦,集中公司所有资源聚焦刚需产品研发;第二,团队有行业领先的创新核心技术,满足客户前沿且苛刻的要求,且与高端合作伙伴-芯片设计企业和fab紧密合作,快速迭代磨合产品。行芯团队坚持核心技术自主研发,所有知识产权完全自主研发,不通过购买任何第三方获得知识产权,这是我们引以为傲,并且敢于持续深耕很重要的特质。”

芯片产业链中,半导体IP作为设计上游关键技术环节,可以帮助缩短芯片开发时间,降低研发风险。然而与EDA一样,IP的难度也相当大,全球前十IP供应商主要来自英美。尽管市场不大,骨头难啃,但国内还是逐渐涌现出了大量有理想,勇追求的IP厂家。

芯原股份是国内顶尖的老牌半导体IP供应商,2020年全球排名第七,拥有用于集成电路设计的GPU IP,NPU IP,VPU IP,DSP IP,ISP IP五类处理器IP,1,400多个数模混合IP和射频IP。公司的多个处理器IP排名世界前列,在众多国际行业巨头的各种产品中发挥重要作用。 此外,芯原还推出了基于IP的平台授权业务模式,并结合市场发展趋势,已逐步在 AIoT,可穿戴设备,汽车电子和数据中心这4个领域形成了一系列优秀的IP,IP子系统及平台化的IP解决方案,并在上述应用领域取得了较好的业绩和市场地位。

芯动科技成立于2006年,15年来一直专注于IP特别是接口IP,其接口IP芯片发货量超过50亿颗,覆盖全球六大顶级晶圆代工厂130nm到5nm工艺节点。尤其是在DDR方面,芯动更是全球覆盖最强的IP公司之一,掌握了全球第一款GDDR6/6X商用IP。“产业最追求的就是生态,就像数据里面要提取公因式的环节,它可以解决很多行业的问题,即使它是一个硬骨头,IP的开发仍然是作为我们的第一选择,这也是我们的追求。” 芯动科技联合创始人敖钢表示。

经过多年的技术积累,芯动科技如今又拓展了GPU布局。敖钢表示:“国产GPU是具有国家战略意义的高端集成电路产品,是当前重要且紧缺的核心产品之一,尤其智能图形渲染GPU是国内市场的一大空白,所以我们直接切入到难度更高,体量更大的渲染GPU中。由于我们在很多GPU的底层技术上做到了国际先进甚至性能超越,如GDDR6和Chiplet等,芯动GPU对标的是英伟达,AMD的高端产品,并且瞄准国产信创桌面和服务器这两大市场领域,这必将给国内GPU应用产业带来新的动力。”

芯来科技于2018年6月份成立,跨越了对于芯片创业公司来说的三年重要门槛,也意味着芯来科技迈入下一个新阶段。作为国内最早从事RISC-V 处理器IP开发的公司,芯来科技完成了从0到1的自主研发阶段,推出了100/200/300/600以及最新的900系列处理器IP,应用范围覆盖了从超低功耗到高性能的AIoT领域的RISC-V 处理器IP。

“在接下来的3年中,芯来科技将会继续向高性能方向迈进,面向数据中心以及更多通用高性能芯片提供合适的处理器IP。同时也会进入包括汽车的功能安全,信息安全等的垂直领域。”芯来科技执行总裁彭剑英表示。

2020年6月,拥有全球顶尖半导体IP企业管理和技术积累的“梦之队”带领芯耀辉科技横空出世。成立仅一年,芯耀辉已经完成了主流接口IP产品线的布局,产品已经陆续推向市场,并收到了非常好的反响,得到客户认可与持续支持。“客户的信任与支持也给了我们这群技术迷专注28/14/12nm及以下先进工艺IP研发和服务更大的动力。在顶配的人才团队和丰富的产业经验基础上,我们将众多一线资本的投资几乎全部投入研发中,因为芯耀辉团队只做IP研发一件事,专注做好产品,为市场提供兼容性高,可靠性强的IP产品,更好地服务于数字社会的各个重要领域。”芯耀辉科技有限公司CTO李孟璋说道。

李孟璋表示,作为半导体IP新锐,芯耀辉要做的不只是高质量的接口IP,还要做智能IP子系统,解放工程师的创造力,把人工智能,云化等技术应用于传统的IP设计中,做面向未来的技术研发,让芯片设计更简单,满足数字时代应用市场的多元化需求。走在世界前沿的应用市场,加速国产IP换道超车。

虽然目前IP被外商高度垄断,国内IP仍处于被“卡脖子”状态,但是产业的数字化给国内IP产业带来新的机遇和挑战,李孟璋呼吁围绕着客户需求的创新和IP,EDA结合的创新三个层面的创新,去赋能IP产业一起应对挑战。

时龙兴教授提到,高性能CPU,GPU,汽车半导体等高端芯片总体上还处于被国外垄断状态,自给率较低。沐曦集成电路(上海)有限公司CEO陈维良将其比作“大长金”:“难度非常大,周期非常长,投入也像‘吞金兽’,投入的资本量非常非常大。好处是现在有一个非常好的环境,让我们可以有机会去突破。”

沐曦集成电路成立于2020年,一直致力于提供完全自主知识产权,针对异构计算等各类应用的高性能GPU芯片和解决方案研发及销售。“通用处理器在高性能GPU这块差异化不是特别大,在落地场景上有一些差异。在产品的定义和整个生态的优化上,针对一些更有机会的地方进行切入,这是我们的战略。” 陈维良表示。

如今汽车芯片产能缺口引发关注,随着汽车行业的快速发展,近年来不少传统半导体厂家和传统整车厂家纷纷入局汽车电子领域,欲抢占发展机遇,琪埔维(Chipways)半导体在这波浪潮中准备得更早一些。Chipways(又名芯路)是一家汽车半导体芯片(Fabless IC)设计公司,成立于2014年10月,专注于汽车智能核心芯片研发与设计,目前的产品包括MCU,传感器,通信芯片,BMS AFE芯片及数字隔离芯片。

“做汽车电子芯片,它需要很长的时间积累,要看得到远方,不能着急。因为芯片是靠一个一个模块,IP去积累,去打实的。Chipways芯路便来源于此。” 琪埔维半导体CEO秦岭表达团队心声,“当前的形势为国内芯片厂商打开了市场,我们要珍惜这个时间窗口,希望中国的汽车半导体产业界和媒体界能一起促进产业的发展。不要去做‘闻鸡起舞’的乱世英雄,一竿而起,不管最后的产业结果,最后一地鸡毛。大家不要一哄而上,汽车半导体是人命关天的事,要非常理智地去看待。”

基于IP和生态原因,DSP领域大多数是被国际厂商占据,为填补空白,国内近些年也出现了一批数字信号处理器芯片厂商。中科昊芯2019年1月成立,主要从事数字信号处理器DSP(基于RISC-V处理器内核)芯片的研发设计,目前已推出工业控制微处理器Haawking-HX2000系列中两个典型系列产品。

中科昊芯今年量产了业界首款基于RISC-V的DSP芯片,随着RISC-V指令集带来的机会,较好地解决了知识产权问题。中科昊芯联合创始人&副总经理吴军宁透露,相比较国际友商DSP产品,中科昊芯的RISC-V DSP芯片在领域核心算法的能效比方面最高可以提升约一倍。在现场Demo演示中,对比国际友商DSP产品,中科昊芯方案实际展示效果也是更好。

RISC-V现在最火,但离成熟量产还有很大距离。关于RISC-V的发展趋势,彭剑英表示,“相比ARM成立的5-10年,再看RISC-V正式作为商业运转的前5-10年,RISC-V的发展速度其实是非常快的。目前RISC-V在智能物联网产品中已经逐渐被采用,要跨过物联网或通用产品,往更多高端专用产品发展,则需要一些标志性的事件,让RISC-V跨入到一个成熟的发展期。”

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