芯片或集成電路（以下簡稱IC）對于經濟增長具有顯著的倍增器作用，據中國電子信息產業發展研究院副總工程師安暉在2020年中國計算機大會（CNCC）技術論壇“新變局下的IC自主研發戰略”上介紹，1元產值的IC可帶動100元以上的國民經濟增長。除此之外，僅從實用角度看IC也是生產生活不可或缺的戰略性基礎物資，因而有能力的國家對于集IC的科研、產業布局十分重視，中國也不例外。但目前中國在IC領域面臨著嚴峻挑戰，能否擺脫IC領域的“卡脖子”境況對于中國的發展特別重要。為此政府、科研界、產業界等都在積極探尋中國IC的發展道路。本文是在總結CNCC上兩位特邀嘉賓的報告，以及上述CNCC技術論壇的發言內容后形成的，主要目的是讓大眾了解中國IC事業面臨的挑戰和機遇，讓專業人士能夠找到IC事業的發力點，共同推進中國IC事業的發展。

一、IC的發展進程及面臨的技術挑戰

IC從20世紀60年代開始起步，一直以來基本遵循著摩爾定律在快速發展。摩爾定律是英特爾創始人之一戈登?摩爾的經驗之談，其核心內容為：單位面積的IC上可以容納的晶體管數目大約每經過18個月便會增加一倍。另外一種說法是，處理器的性能每隔18個月翻一番，而價格下降一半。

IC的發展涉及設計、制造、應用等環節，設計又涉及電子設計自動化（EDA）軟件和IP（IntelligenceProperty，知識產權）、結構等；制造涉及材料、裝備（如光刻機等）、封裝、測試等環節；應用涉及商業模式、產業生態鏈等。IC的發展非常迅速，在材料方面，本世紀以來，已有47種新材料進入IC制造。器件結構方面則是從平面到立體，如立體柵結構的FinFET，臺積電已經開始以5nm工藝量產。另外處理器經歷了SSI、MSI、LSI、VLSI、多核VLSI等階段，即將邁向第5代。集成技術方面，從平面到三維集成的轉變，拓展了器件密度提升的維度。光刻技術方面，從光源、鏡頭的材料與結構、圖形傳遞模式多元化的創新，到極紫外光刻（EUV）技術的突破，使5nm技術的實現有了保證。商業模式方面，從早期的IDM模式，即IC設計、制造、封裝和測試等環節集于一身（該模式下IC領域進入門檻高，屬于少數人的游戲），逐漸發展出Foundry模式，即IC開始了設計、制造、封裝的相對獨立發展，給予更多玩家進入該領域的機會，整個產業發展也更加蓬勃。

當前IC發展面臨諸多技術挑戰，如：

1.FinFET器件微縮挑戰：5nm以下技術節點中，較薄的Fin引起遷移率嚴重退化；較高的Fin形成源漏外延質量變差，通過應變技術提高器件性能有限。

2.器件結構：從FinFET到垂直堆疊Nano-sheet，再到Fork-sheet/CFET，以進一步優化面積利用率、提高集成密度。隨著IC微縮到5nm以下，預計FinFET將走到盡頭，而垂直堆疊的環繞閘極（GAA）Nano-sheet被認為是由FinFET器件自然演變而來。為了將Nano-sheet器件的可微縮性延伸到2nm節點及以下，目前業界寄希望于Fork-sheet/CFET器件。

3.埋入式電源線（BPR）：將Vcc和地線埋入前端工藝中，壓縮標準單元面積、節省互連空間。埋入式電源線被認為是5nm及以下工藝制程的重要技術。

4.光刻技術：EUV技術的持續改進。

5.AirGap側墻技術：可降低柵極寄生電容25%以上，該技術可使7nm工藝的產品在性能上甚至優于5nm工藝的產品。

6.新的互連技術：引入新材料，采用新集成技術來降低互連RC延遲。

另外，設計工具、制造封裝工藝等方面的改進也面臨重大挑戰。

二、中國IC發展的瓶頸

中國IC產業處于高速成長階段，近十年年均復合增長率超過20%。2020年上半年銷售額3539億元，同比增長16.1%。產業從過去的“大封測、小制造、小設計”逐步過渡到現在的“大設計、中封測、中制造”，這是很好的發展趨勢。但中國IC產品的自給率低，2019年中國IC進口額超過3000億美元，預計到2022年IC自給率可達到16.7%［3］。從技術角度看，目前我國在IC設計環節有所突破，但整體上和先進國家差距甚大，且越往高端差距越大。以處理器IC為例，國產芯片的占有率如下表所示［3］，產業生態令人憂慮。

我國IC產業在通用芯片領域完全無法和國際優勢廠商競爭，桌面處理器市場被Intel和AMD完全壟斷，服務器處理器市場Intel占比達96.7%。

在IC產業鏈的EDA、IP、裝備、設計、制造、封裝測試、掩膜制造、材料等環節上，中國在IC設計上勉強說得過去，而在其它環節均處于弱勢，特別是在IP、EDA、光刻機、IC制造4個環節被卡住了脖子！

而若想打破這種受制于人的困境可謂是困難重重，其困難主要體現在以下幾點：

1.相關的軟件生態龐大復雜，芯片市場化壁壘高。

2.芯片制造產業鏈長，涉及130多種裝備、5大類500多道工藝、7大類530種材料，一環被卡，整體就會被卡。

3.中國還沒有自主的生態，芯片的生態由別國企業掌控。

4.專利和IP壁壘，很多時候很難繞過去。

5.EDA軟件風險：使用先進的EDA軟件才能設計出最好的芯片，但如果最好的EDA不銷售給中國，或者EDA中留有后門，后果肯定會比較嚴重。

6.從科研到產業，投入巨大，科研需要積累，產業形成需要時間，這加大了芯片產業趕超的難度。盡管目前政府和企業對芯片產業十分重視，政府出臺相關政策，同時政府和企業投入大量資金，但短期解決全部問題是不可能的。

7.學科和人才培養方面，IC相關技術涉及面廣，需融合電子信息、物理、化學、材料、自動工程等40多種學科，需要從業者有綜合知識背景、交叉技術技能、融合創新等素質，目前的教育體系無法提供足夠的支持。

三、我國IC產業發展路在何方？

我國IC產業發展經歷了多個發展階段，目前還處于十分被動的地位，這說明發展IC產業沒有所謂捷徑可走，需要沉下心來一步一步將所有難關攻克。個人的一些觀點如下：

1.國家層面整體規劃十分重要。由于IC涉及面廣，發展IC產業是一個非常龐大的系統工程，需要整體規劃。

2.放棄全面超越的目標。全面超越是近期無法實現的目標，在產業鏈中形成互相制約的局面即可。

3.尋找少量關鍵點重點支持和突破。在上述思路的前提下，尋找可以迅速突破的一些點位，重點投入，重點突破，形成可以互“卡”、可良性發展的局面。

4.尋找新的技術增長點，在實現上述目標的基礎上，達到局部占優。

5.改善科研和教育體系。科研方面一方面要加強基礎科學研究，另外一方面要重視技術和工程及應用，不唯論文；教育方面要重視能力訓練而不是目前的知識灌輸，同時要圍繞IC工程系統布局相關專業和學科。培養一大批有家國情懷，有科學精神和具備科研、工程、產業能力的專業人士對于IC產業發展十分重要。

6.做好持久競爭的準備。這是一項長期工程，需要做好持久投入的準備，長遠布局，長期堅持才有可能達成目標。

7.打擊學術和產業騙子。政府加大支持力度，會引來一些濫竽充數者，需要加大識別和打擊力度。

8.要以開放的心態發展基礎科研、技術和產業，積極參與國際合作。

9.要有信心。中國有巨大的市場需求，同時已建立起現代的科研、教育、工業體系，只要自己有信心，就會有巨大的發展。
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