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魏少军:中国IC制造工艺仍落后国际同行两代

摩尔定律还将延续,半导体在技术上向亚纳米走是可行的,但经济上不可行。全球集成电路产业危机,并购成为重要的手段。 中国IC制造工艺仍落后国际同行两代……

摩尔定律还将延续,半导体在技术上向亚纳米走是可行的,但经济上不可行。全球集成电路产业危机,并购成为重要的手段。中国IC制造工艺仍落后国际同行两代!
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魏少军,清华大学教授,博士生导师;教育部“211工程”电子系统集成与专用集成电路技术研究中心主任;中国电子学会高级会员,IEEE有价值会员。曾任电信科学技术研究院副总工程师,大唐电信科技股份有限公司总裁。

3月14日,UBM 旗下企业 eMedia Asia Limited 于近日公布了由其五大媒体 (《电子工程专辑》大陆版/台湾版、《EDN 电子技术设计》大陆版/台湾版、《国际电子商情》) 联合举办的 2016 年度大中华 IC 设计调查报告和大中华 IC 设计成就奖结果。在大中华 IC 设计成就奖颁奖现场,清华大学魏少军教授进行了《资本与技术双轮驱动下的中国集成电路产业报告》,以下为魏教授的演讲实录:

摩尔定律的成功在于它符合人性

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加州理工工程学和应用科学名誉教授卡弗米德说:摩尔定律不是一个物理定律,它是人类本性的一个定律,这句话说得非常有哲理。后面加以解释:人们知道什么在物理上是可能实现的,而且对之深信不疑,因此大家去照着做。

这句话说什么呢?今天我魏某人站在这里提出一个所谓的魏氏定律,谁信呢?没人信。

我想这个世界上有很多人都想学习戈登摩尔提出一个所谓的定律出来,但是有多少能够被世界承认呢?很少。但是一旦被承认了,他所发挥的能量是巨大的。

所以我们看到的是,当人们知道在物理上可实现,并且深信不疑的时候,他们在全身心用自己的力量在推动摩尔定律的前进。所以摩尔定律虽然是摩尔提出来,但却是整个行业所有的从业者共同努力的结果。如果没有人相信这个定律,摩尔定律不会发展到今天。

这是今天我想讲的第一个点,我们一定要继续相信摩尔定律。
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半导体产业发展到今天,如果不相信这个事情是没办法继续走下去的。摩尔定律的社会意义在哪呢?我们可以算出来,在过去50年当中,因为摩尔定律引发的社会变革是非常巨大的。

英特尔公司高级主管比德 戴维德曾提出一句话,“五十多年前,传递信息不仅非常缓慢,而且很昂贵。所以我们把人们移动到距离信息很近的地方,比如说沃尔玛。今天不一样,现在有了亚马逊、阿里巴巴、京东,我们把信息推送到人的身边,让人们在家里看完以后就可以下单去买。”

所以这样一种变化,实际上是摩尔定律在引发整个物理基础设施的改变。今后会发生什么变化我不知道,但是我们可以看到摩尔定律数字的变化会带来一些本质性的变化。

最近炒作得比较热的,比如说大数据、云计算。我们都在讲这些东西很重要,但是他们背后真正的力量在哪?在摩尔定律。

为什么我们花了很多精力来讲摩尔定律?因为它不仅是影响电子产业,而且今后的影响会渗透到我们生活的各个方面去。

摩尔定律遭遇到哪两大挑战?

大家都在说摩尔定律还能持续多久?这个最近炒得很多,很多会上都在讨论,摩尔定律是否会走到终结?

我觉得这个话说得有点片面,我这里举了三个人的话:
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第一个是加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学家胡正明博士,它提到:“没有哪种指数增长是可以一直延续下去的”,这是真理。但是,“与其灿烂无比又一闪而逝,稳定而缓慢的增长显然是更好的。”他并没有说,摩尔定律停止以后,半导体业就停止了。

摩尔定律可以停止,半导体业会长期存在。至少我们今天没有看到任何能代替半导体的任何新的可用的技术出现。

我们认为摩尔定律肯定还可以持续一段时间,那么影响摩尔定律发展的因素有哪些呢?

美国超级计算机首席设计师Alan GALA说:“我们最大的挑战是能效问题。”BM阿尔马登研究中心的科学技术主任Spike Narayan说:“很多人开始在硅芯片上寻找新方法来提升芯片性能,以延续摩尔定律的预言。所以现在的材料研究和创新才这么热,大家在寻找新的材料和结构用来制造芯片。”所以我们说在未来,有两大问题必须要解决:一个是能量效率问题;一个是新材料新结构的问题。

三大技术路线延续后摩尔时代

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其实早在2007年,我们的前辈和同事就发现,我们不可能一直按照现有的技术路线一直走下去。未来国际半导体技术的发展将沿着三条路线向前:

第一条是more moore,继续提升工艺极限。
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毫无疑问,more moore还是可以继续。去年EETIMES发表一篇文章,5纳米的光刻技术已经成功了,而且这是一个混合的光刻技术。把193I和EUV混合起来,甚至用到四次曝光。这是最佳的更经济的一种方式。

所以我估计5纳米不是极限,可能3纳米。很可能还会做到2.5纳米,当然走到1.8纳米的时候是否还能继续向下走?我觉得技术上可能没问题,但是成本上是否划算的问题。

第二条是more than moore,目的是把芯片和一些主动被动元器件实现系统级的集成,去寻找一个最小化的系统解决方案来提供更高的价值。
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more than moore,其实就是把大量的器件集成在一起,也就是Multi Conponent IC,多元集成IC。它实际上是要把芯片、主动、被动元件包括传感器全部通过一个小型化器件集成在一起。
今后半导体的价值体现在哪?芯片固然重要,系统集成的价值更重要。在系统集成方面,我们的知识仍然处在一个初级阶段。我们现在很多厂商可能从成本考虑,more moore路线往下走走不下去了。但是有没有想过,把你们的支持和应用结合起来,形成新的Multi Conponent IC。

第三条是beyond CMOS,直接改变现有的硅材料。
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去年看到一个新闻让我感到非常吃惊。IBM提出的一个分子级的应用,它是在一个砷化铟的晶体上,放了12个带正电的铟原子。中间放一个酞菁分子,通过改变12个排成6边形的原子上的电荷数量。可以让中间的酞菁分子发生方向的转变。

更为可怕的是,每一个铟原子的直径只有167个皮米。一个皮米是千分之一纳米。所以这样的分子晶体管的整个直径小于一纳米。

右边的是去年IBM发布的碳纳米管,是最有可能代替硅的技术,所以摩尔定律没有大家想象得那么悲观,可能我们还会继续走下去。可能是因为新材料,可能是新技术。

集成电路产业进入低增长成熟期

我们看到集成电路产业进入了一个成熟期。没办法,孩子总是要长大的,人总是要变老的。所以这个事情不以人的意志为转移。

我算了一个数字,从1987年到2015年的28年时间,全球半导体的年均复合增长率是8.8%。相当高的一个数字。我们还没发现其它产业有这么高的增长率。同时2010年到2015年之间这5年的增长率只有3%左右,因此我们说这个产业进入了低增长时期。

那么这是一个必然的趋势,一定进入成熟期了。
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进入成熟期其实有一些相应的标志:

一个是风险投资大幅的下降。
二个是IPO公司的数量大幅减少,我们看到2015年几乎没有新的半导体公司IPO。已经IPO的公司也在大幅下降。
最可怕的事情是所谓的“激进行动”。什么意思呢?比如有个公司,它做得很好。

我先去买它的股票,然后去找茬,说你投了这么多钱在研发,其实根本就没有价值。你应该赶快把研发停掉,因为停掉了研发,省下钱来,企业利润率就可以增高。然后我们把股票卖掉赚钱。这种情况越来越多,包括苹果这样的公司也被告。

中国半导体制造工艺落后国际同行2代

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回头来看2008年到2015年我国芯片制造业发展的情况。数字很漂亮,年均复合增长率12.59%。去年我们的芯片制造业增长达到了25%。

但是我们一看,去年增长了200亿美金。哪增加了200亿?无论是SMIC还是华立也好,从公开数据里找不到增长的数字。我后来仔细一查发现了,三星去年在中国增加了150亿美金,那我们是否可以说再过几年,台积电、UMC在合肥的厂,他们会贡献多少?

我们不仅要问,这种发展的方式到底是中国自己的发展还是全球的发展?毫无疑问是全球发展,所以在这个问题上我们必须要有一个清醒的认识:

第一、我们不要说这个发展是中国的,它是全世界的。
第二、中国作为整个产业发展的一个聚集地,它的优势就是它庞大的市场和快速增长的需求。
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看一看我们自身的发展,应该说去年我们在芯片制造业上还是有一定的成绩。比如说28nm,无论是中芯国际还是华立,都取得了成功。但是跟排在前面的芯片制造业比一比,我们发现,还是有很大差距。

到2020年以前,我们会一直维持在落后国际同行2代的差距。为什么我们的发展不好?因为这么多年没有投资,所以我们的资本实力非常差,要大量投产能的时候,受到限制。

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从IC设计业的表现来看,情况会好一点。我们看到过去的16年中,年均复合增长率是45.68%,这个增长速度仍然是很高的。

“中国的IC设计业已经在全球占到前列了吗?”我自己一看发现不对,这张图里面左边是显示各领域企业数量的变化。右边是各领域产业规模的变化。
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左边这张图中,通信、计算机、多媒体、导航、消费类的企业数量变化巨大。不停在变。如果从右边这张图来看,除了通信一枝独秀,其它的东西基本增长缓慢。也就是说如果把通信拿掉,2015年我们IC设计的产业规模和2011年基本上是一样的。

这就是现实,我们的产业构成是有问题的。问题出在哪?问题出在我们过去这么多年的投资不振。

不同发展阶段的企业需要哪些支持?

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半导体产业需要的生态要素有哪些?我们列出来了,我们需要资金、人才、金融、产品、政策、市场、生态、技术。以前在资金这一块有所欠缺,现在我们基本上补齐了。

从这张图来看,好像我们各个要素都具备。我记得以前我们跟中央领导说的是,“给我们钱就什么东西都解决了。”以为有钱就有了一切,其实不是这样。
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技术和资本就如同汽车的两个轮子。理想情况下只有两个轮子同步转,这辆车才会一直往前走。以前说我们没有钱,现在钱有了,问题是这个过程中,如果左轮比右轮快,我们会发现在走曲线。这就是中国集成电路在过去15年走的曲线。
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中国的初创企业需要多少资本的支持?我们经常看到初创阶段,销售收入在1亿美金以内。这个阶段主要需要的是产品研发、打通供应链、市场销售、服务与技术支持、天使投资。一旦到了1亿美金以上,就进入成长期,这个时候就需要丰富产品线,扩大市场规模。最终,通过上市IPO,实现成熟、并购。

这三个阶段,我们经常发现在初创阶段,规模太小。在第一个阶段需要有足够的市场份额才能继续往前走。但是我们现在的企业大量的是还没有达到足够的市场份额就往前走。到了产品丰富的时候,充足的技术储备就是必要条件。所以我们看到在企业的成长过程中,其实有不同的阶段,不同的阶段对融资的要求是不一样的。

半导体产业并购潮对中国企业的启示

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我们看到去年国际半导体产业并购在加速。图中都是跟半导体相关的国际并购,据统计到去年的大概11月份,有1021亿美金。当然最终结果据说是1200亿。
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我们分析了现在的国际并购,发现两个现象:一个是资本或是基金主导。利用被并购企业优势打造新的产业红海,通过将被并购企业融入现有企业中以提升实力。第二个是产业主导的生产性企业并购,主要是提升技术,形成更大的产业规模。

其实以资本获利为主的国际并购,占有相当大的比重,而且后续还面临与国内产业整合的关系。我经常开玩笑,说不要买公司,投资投成了CEO,这个时候就比较难受。
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相对来说,中国开始加入全球半导体产业并购中,去年有七家,并购总额度不大,大概在62.85亿美金。国内企业的并购还没有成为这一轮投资的主线。

这里面有两个原因:一方面是国内企业的同质化情况非常严重。

另一方面,国内企业并购的成本和难度更大。代价更高。而且我们企业家精神不对,一旦有资本出现,马上坐地涨价。我们看到国际企业的并购基本是很安静的。

此外,以技术能力获取为目的的并购还不够多,更多是为了资本获利。没有太多的技术储备,加上企业不断在变化过程中,当然发展不起来。

所以目前并购确实有几点需要思考的地方,需要我们认真的去想一想。

最后总结一下:

第一是摩尔定律还在延续,但碰到了很多挑战。我们看来半导体在技术上向亚纳米走是可行的,但是经济上是不可行的。

第二是全球集成电路产业遭遇发展瓶颈,并购成为重要的手段。大陆的集成电路产业可以说是欣欣向荣、大有作为。

第三是我们的产业持续高速发展,但是制约实现跨越的根本性矛盾短期内无法解决。前期存在的资本缺失矛盾正在缓解,但技术进步的问题并没有因为资本的投入而得到改观。

最后我们说资本与技术是驱动我们产业发展的两个轮子,两个轮子均衡发展才能实现产业的快速进步。目前我们在加大国内外并购的同时要高度关注、加大企业技术研发。同时围绕产业的短板,通过并购有意识的进行补齐。

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