——中国数字电子计算机的创业历程及领路人
(2006-09-11 16:18:31)
■ 中国科学院院士、北京科技大学教授 高庆狮
编者按： 一转眼，中国的计算机事业已经走过了50个春秋。在《计算机世界》纪念中国计算机事业发展50年的过程中，我们看到，在这50年里，有太多激动人心的创举出现，也有太多令人黯然的无奈穿过。
几代大师为了中国计算机事业的发展鞠躬尽瘁，更多人为了中国计算机产业的前行奋发图强。为此，我们特邀中国科学院院士、北京科技大学教授、中国科学院计算技术研究所终身研究员高庆狮撰写此文，以纪念过往、庆祝成就，同时也警醒现状、激励未来。
50年风雨之后，为了寻求ICT的融合和计算领域的更大发展，中国正在积极酝酿更好的政策环境。2006年8月29日，全国信息产业科技创新会议在京召开。
自从1946年，世界上第一台数字电子计算机在美国诞生，与计算机最邻近领域的数学和物理界的共和国泰斗、世界数学大师华罗庚教授和中国原子能事业的奠基人钱三强教授，十分关注这一新技术如何在国内发展。
中国诞生计算机
从1951年起，国内外和计算机领域相近的其他领域人才，尤其是从国外回来的教授、工程师和博士，不断转入到该行业中。他们当中的很多人，都在华罗庚领导的中科院数学所和钱三强领导的中科院物理所里，其中包括国际电路网络权威闵乃大教授、在美国公司有多年实践经验的范新弼博士、在丹麦公司有多年实践经验的吴几康工程师，以及从英国留学回来的夏培肃博士和从美国留学回来的蒋士飞博士。
他们积极推动，把发展计算机列入12年发展规划。
1956年3月，由闵乃大教授、胡世华教授、徐献瑜教授、张效祥教授、吴几康副研究员和北大的党政人员组成代表团，参加了在莫斯科主办的“计算技术发展道路”国际会议，到前苏联“取经”，为我国制定12年规划的计算机部分做技术准备。当时的代表团主要成员后来都参加了12年规划。此外，范新弼、夏培肃和蒋士飞也加入规划制定中。在随后制定的12年规划中，确定了中国要研制计算机，并批准中国科学院成立计算技术、半导体、电子学及自动化等四个研究所。
计算技术研究所筹备处由科学院、总参三部、国防五院（七机部）、二机部十局（四机部）四个单位联合成立，北京大学、清华大学也相应成立了计算数学专业和计算机专业。为了迅速培养计算机专业人才，这三个单位联合举办了第一届计算机和第一届计算数学训练班。计算数学训练班的学生有幸听到了刚刚归国的钱学森教授和董铁宝教授讲课。钱学森教授在当时已经是国际控制论的权威专家，而董铁宝教授在美国已经有过3～4年的编程经验，也是当时国内惟一真正接触过计算机的学者。当时我也是学生之一。
钱学森的数学功底的深度和广度几乎涵盖了我们所学的数学的所有课程，而且运用自如，我们作为北大数学系学生，对此感到十分钦佩。同时，钱学森教授也帮助我们具体了解到，数学如何应用到实际物理世界中。
在前苏联专家的帮助下，由七机部张梓昌高级工程师领导研发的中国第一台数字电子计算机103机（定点32二进制位，每秒2500次）在中国科学院计算技术研究所诞生，并于1958年交付使用。参与研发的骨干有董占球、王行刚等年轻人。随后，由总参张效祥教授领导的中国第一台大型数字电子计算机104机（浮点40二进制位、每秒1万次）在1959年也交付使用，骨干有金怡濂，苏东庄，刘锡刚，姚锡珊，周锡令等人。其中，磁心存储器是计算所副研究员范新弼和七机部黄玉珩高级工程师领导完成的。在104机上建立的、由仲萃豪和董韫美领导的中国第一个自行设计的编译系统，则在1961年试验成功（Fortran型）。
国防是首要服务对象
在任何先进国家，计算机的发展首先都是为国防服务，应用于国家战略部署上，中国也不例外。1958年，北京大学张世龙领导包括当时作为学生的王选在内的北大师生，与中国人民解放军空军合作，自行设计研制了数字电子计算机“北京一号”，并交付空军使用。当时中国人民解放军朱德总司令还亲自到北京大学北阁“北京一号”机房参观了该机器。随后，张世龙带领北大师生（包括王选和许卓群在内），立即投入北大自行设计的“红旗”计算机研制工作，当时设定的目标比前苏联专家帮助研制的104机还高，并于1962年试算成功。但是由于搬迁和文革的干扰，搬迁后“红旗”一直没有能够恢复和继续工作。
与此同时，1958年，在哈尔滨军事工程学院（国防科技大学前身）海军系柳克俊的领导下，哈尔滨军事工程学院和中国人民解放军海军合作，自行设计了“901”海军计算机，并交付海军使用。在海军系康继昌的领导下，哈尔滨军事工程学院和中国人民解放军空军合作，自行设计的“东风113”空军机载计算机也交付空军使用。随后，柳克俊领导的国产晶体管军用的计算机，也在1961年交付海军使用。
1958年～1962年期间，中国人民解放军总参谋部也前后独立研制成功了一些自行设计、全部国产化的计算机。
1964年，中科院计算技术研究所吴几康、范新弼领导的自行设计119机（通用浮点44二进制位、每秒 5万次）也交付使用，这是中国第一台自行设计的电子管大型通用计算机，也是当时世界上最快的电子管计算机。当时美国等发达国家已经转入晶体管计算机领域，119机虽不能说明中国具有极高水平，但是仍然能表明，中国有能力实现“外国有的，中国要有；外国没有的，中国也要有”这个伟大目标。
在119机上建立的，是董韫美领导的自行设计的编译系统，该系统在1965年交付使用（Algol型），后来移植到109丙机上继续起作用。
哈尔滨军事工程学院计算机系慈云桂教授领导的自行设计的晶体管计算机441B（浮点40二进制位、每秒8千次）在1964年研制成功，骨干人员包括康鹏等人。1965年，441B机改进为计算速度每秒两万次。
与此同时，中科院计算技术研究所蒋士飞领导的自行设计的晶体管计算机109乙机（浮点32二进制位、每秒6万次），也在1965年交付使用。为了发展“两d一星”工程，1967年，由中科院计算机所蒋士飞领导，自行设计专为两d一星服务的计算机109丙机，并交付使用，骨干有沈亚城、梁吟藻等人。两台109丙机分别安装在二机部供核d研究用和七机部供火箭研究用。109丙机的使用时间长达15年，被誉为“功勋计算机”，是中国第一台具有分时、中断系统和管理程序的计算机，而且，中国第一个自行设计的管理程序就是在它上面建立的。
这些由中国科研人员自力更生、努力拼搏研制出的第一批计算机，代表了中国人掌握计算机的技术水平和成果，证明了中国有能力发展自己的全部国产化的计算机事业。
突破百万到超越亿计算
虽然我国自行设计研制了多种型号的计算机，但运算速度一直未能突破百万次大关。1973年，北京大学（由张世龙培养的、包括许卓群和张兴华等骨干人员）与“738厂”（包括孙强南、陈华林等骨干人员）联合研制的集成电路计算机150（通用浮点48二进制位、每秒1百万次）问世。这是我国拥有的第一台自行设计的百万次集成电路计算机，也是中国第一台配有多道程序和自行设计 *** 作系统的计算机。该 *** 作系统由北京大学杨芙清教授领导研制，是国内第一个自行设计的 *** 作系统。
1973年3月，在全国实际研制目标200～500万次不能满足中国飞行体设计的计算流体力学需要的情形下，时任国防科委副主任的钱学森，根据飞行体设计需要，要求中科院计算所在20世纪70年代研制一亿次高性能巨型机，80年代完成十亿次和百亿次高性能巨型机，并且指出必须考虑并行计算道路。中科院计算所根据国防情报所和计算所情报室提供的国际上的公开资料，分析了1970年前后美国研制的高性能巨型机的优缺点之后，于1973年5月提出“全部器件国产化一亿次高性能巨型机（20M低功耗ECL、电路-四条流水线）及其模型机（757向量计算机、10M ECL、电路-单条流水线）”的可行方案。由于文革中受到严重干扰，以及文革后“走马灯”式良莠不齐的领导乱指挥，尽管在1979年，由亚城负责的20M低功耗ECL电路的集成电路芯片投片已经研发成功，但是最终“全部器件国产化一亿次高性能巨型机”的研发，因为任务变化，最终搁浅。
表1和表2给出了代表中国掌握电子管、晶体管、集成电路计算机技术的发展时间表，水平主要是根据创新的“三性”中的先进性。需要说明的是，表中所列只是代表中国已掌握的计算机技术水平的计算机，其中，带*的103、104、119、150、757，及银河-1号巨型机和银河-2仿真计算机等7台计算机，都被载入“记述对中华文明发展起促进作用的重要历史事件”的中华世纪坛青铜甬道铭文中。
除了研制水平之外，产业、市场和应用的发展也同样重要。在批量生产计算机上，电子工业部及其相关研究所（例如著名的15所）和工厂（例如著名的738厂）功不可没。不仅上述中国早期计算机的研制和批量生产要依靠它们，而且它们也独立设计和研制过一些成批生产的计算机(例如108系列、与清华大学合作的DJS-130等），尤其在人造卫星地面系统（例如320计算机及舰上718计算机）及其他军工任务上，这些研究所和工厂都有过突出贡献。研究所和工厂研究工作的重点，主要是在技术和工艺方面。他们的领军人包括莫根生、陈立伟、曹启章及一批骨干人员，例如江学国等。现任中国工程院院士罗沛霖领导的仿IBM系列也起过历史性作用，沈绪榜和李三立负责的有关卫星天上和地上计算机及其他任务用的计算机也做出了重要的贡献。此外，七机部、清华大学及中科院各分院在发展计算技术方面还做出了许多贡献，这里就不枚举了。
中国自力更生全部国产化的半导体、集成电路计算机事业，和20世纪50～70年代林兰英、王守武、王守觉和徐元森等教授领导的中科院半导体所、上海冶金所和109厂的研究及开发工作是分不开的。中科院半导体所和109厂都是从中国科学院物理所独立出来的，中科院物理所对中国计算机事业的历史贡献功不可没。
人才培养至关重要
发展计算机事业离不开人才培养，20世纪50～70年代，中科院计算技术研究所(及之后的中国科技大学)的夏培肃副研究员、北京大学和哈尔滨军事工程学院，在组织教师和学生动手研制计算机、进行实践、培养人才等方面，都取得了很好的成绩。夏培肃领导组织教师和学生动手研制了107（定点32二进制位、每秒 250次）计算机，该计算机于1960年交付使用，并且还复制了两台。尽管107计算机比103（1958年交付使用）、104计算机（1959年交付使用）速度低了10倍到40倍，但是对培养人才起了重要作用。
一个计算机系统是由多方面研究成果构成的。范新弼领导的磁心存储器长期处于领先地位，其中主要的骨干有伍福宁、王振山、徐正春、张杰、甘鸿，等等。王克本领导了中国第一个八层印刷电路版研究与设计小组。方光旦在磁头、磁胶，张品贤在磁带，顾尔旺在磁鼓等方面，都做出了出色的贡献。实际上，大多计算机的研发都是集体成果，例如全国参加757计算机研发工作的人员，就有上千人。
我国第一个“计算机系统结构设计”小组于1957年在中科院计算所成立。20世纪50～70年代，它承担了中科院计算所代表性的计算机（119、109乙、109丙、757、717等计算机）的系统结构设计任务。参与成员则根据当时前苏联计算机领军人物、前苏联科学院列贝捷夫院士的建议，由年轻的数学专业毕业生组成。第一任小组负责人是国际网络权威人士闵乃大教授，第一个正式设计任务则是1958年5月国防部门的“导d防御系统计算机”系统结构设计。设计工作由北京大学张世龙和第二任小组负责人虞承宣，加上6名数学专业毕业的大学生组成，其中周巢尘、沈绪榜等3人后来分别由不同领域（软件、航天、系统结构）、不同单位被选为中科院院士。
中国20世纪60年代编译系统的带头人在当时都是年轻人，如中国人民解放军总参谋部杨奇、中科院计算所董韫美和仲萃豪、南京大学徐家福、国防科技大学陈火旺等。中国20世纪60年代 *** 作系统的带头人有北京大学杨芙清、南京大学大孙仲秀等，当时也都是年轻人。软件正确性设计（容易推广到硬件的正确性设计）是近20多年国际上关注的具有巨大经济效益、社会效益和理论价值的重大问题。我国领军人物何积丰院士、周巢尘院士如今已经是国际上知名的佼佼者。20世纪70年代，逐渐形成容错和检测理论和实践的带头人是魏道政，而知识处理的带头人是陆汝钤。
依赖进口弊端过大
20世纪70年代后期以后，中国研制的计算机，几乎全部使用进口元器件、进口部件。
由于超大规模集成电路迅速发展，数千万甚至上亿个晶体管逐渐能够集成在一个芯片上，20世纪80年代及其之后得到迅速发展的计算机，是普通个人使用的“微机”（PC机）及超强“微机”（后者可以组成服务器或者并行处理的高性能计算机），而其他各式各样的计算机（包括超级中小型计算机在内）由于性价比问题，无法和微机竞争，就自然逐步退出舞台了。国际上没有及时调整战略的计算机公司，例如CDC公司、王安公司等，纷纷倒闭。虽然如此，国内那一段过渡时期为了满足用户需求而研制的各种机型也曾有过较大贡献，例如张修领导的KJ8920，在为用户提供优质服务软件方面就很突出。
中国最早意识到个人计算机发展趋势而率先转向研究“微机”，并且做出突出贡献的带头人有倪光南、韩承德等。
国内高性能计算机，有慈云桂、卢锡城、周兴铭、杨学军领导的银河系列；张效祥、金怡濂、陈左宁领导的神州系列李国杰、孙凝晖领导的曙光系列；祝明发领导的联想深腾系列；以及周兴铭领导的银河-2数字仿真巨型机等。PC机有联想系列、长城系列、方正系列、同方系列等，其学术代表性带头人是倪光南，产业代表性的领军人是柳传志。
计算机产业作为一个产业链，软件发展依赖于整机和应用需求的发展整机的发展依赖于芯片、部件及需求的发展芯片的发展则依赖于“集成电路生产线大三角形”的发展。这里集成电路生产线大三角形是指集成电路生产线的三大部分，即大底座、中间层和顶层。大底座（价值十多亿美元的集成电路制造工艺生产线）是从拉单晶硅到光刻-扩散-参杂，到最后封装，相当于过去林兰英、王守武、王守觉和徐元森等领导中科院半导体所、上海冶金所的研究工作。中间层是各种高速低功耗电路设计，相当于过去中科院计算所电路设计组蒋士飞、沈亚城等人的研究工作。20世纪70年代，沈亚城所进行的高速低功耗ECL电路设计，直到做成芯片，才可以算做完成。顶层则是硅编译等等软件工作，这部分工作过去是计算所使用小规模集成电路时把逻辑设计图变成为工程布线图的手工工作，加上半导体所制造小规模集成电路各种掩模版所需的手工工作。在超大规模集成电路的情况下，从复杂性、可靠性角度，手工是绝对不可能完成的，需要依靠硅编译来自动完成。
在允许部分进口的环境下，一个产业链如果要求全部国产化，会造成一环落后引发产业链后续部分全部落后的情况；使用进口元器件、进口部件，使得各种类型整机可以在国际先进基础上得到发展，进而软件和应用都能在国际先进基础上得到发展，从市场经济角度看，这无疑是正确的。
但是，当国内所研制的计算机全部转向使用进口元器件、进口部件时，一方面中国的高性能计算和PC机的发展依赖于进口元器件和进口部件的水平另一方面中国的集成电路研制力量，由于缺少巨大的经济支持，都转向非计算机用的其他难度小的方向。
“元器件全部进口化”导致的结果是，不仅全部国产化的亿次高性能巨型机研制中止，而且真正完全自主的国产的计算机集成电路研制工作也中断，至今也没有恢复，甚至没有任何恢复的迹象，这两方面对国家安全都很不利。实际上，“集成电路生产线大三角形”依靠进口的集成电路生产线，就等于依赖外国集成电路生产线水平和外国政府批准向中国出口的集成电路生产线的水平。引进无法达到最先进，而且在特殊情况下，引进很可能中断，引进的生产线的备份件也不能得到更新。
“中国芯”何时真正崛起
进入21世纪以后，李德磊负责的“方舟”、胡伟武负责的“龙芯”、以及王沁参加负责的“多思”、方信我负责的“国安”等等“中国芯”项目不断涌现，计算机产业链国产化又前进了一大步。但当前或者未来将出现的众多的“中国芯”的共同点，都是“集成电路生产线大三角形”的一个应用。也就是说，其水平仍然是依赖于外国集成电路生产线水平和外国政府批准向中国出口的集成电路生产线的水平，仍然受制于人。
众多“中国芯”的主要的差别只是在系统结构设计上，或者在高速低功耗电路等设计上，有没有重大创新、重大突破。设计明显创新的，有国外学者称之为相当于“大学生课程设计”水平，虽然难听却也有几分道理。尽管能设计“中国芯”的人或公司越来越多，但是能设计“中国集成电路生产线大三角形”的人，如果不采取措施，不仅目前没有，恐怕不远的将来仍然是空白。如果中国不能制造中国的“集成电路生产线大三角形”，那么无论有多少种“中国芯”，中国的高性能计算机和中国PC机的发展水平就必然还是取决于美国“集成电路生产线大三角形”的发展水平及美国政府允许向中国出口的水平。
现实的道路是，我们可以通过引进、消化、吸收与独立研究相结合的方式发展芯片产业，而建立完全自主的“集成电路生产线大三角”，则应该是国家急需解决的重中之重。
早在1965年，中科院半导体所王守觉就开始研制从逻辑图到掩模版的自动形成系统“图形发生器”，这项研究比美国还早。由于文革破坏而中断了3年，1971年初研制成功时，反而比美国晚了一年多。以上历史说明，中国人的独立研究能力也不容忽视，研究环境也不容被忽视。
如何做到既能使产业链的各个环节的发展都能建立在国际最高水平之上，又能确保国家安全？这不仅仅是一个计算机产业链的问题，应该是许多产业链所存在的共同问题，更是决策者急需处理的政策问题。
中国半个世纪电子数字计算机事业的领路人，是在两位共和国功勋科学家华罗庚和钱三强关注下的一个群体，这个群体在50年前，是10多名从相邻领域转过来的30～40多岁的中青年带头人，和五、六十名受过专业教育的20多岁的青年骨干，还有数十名当时尚未出世的后起之秀，本文列举的，只是这个百人群体中的一小部分。
链接:文中部分科学家简历
华罗庚：江苏金坛人。中国解析数论、典型群、矩阵几何学、自守函数论与多复变函数论等很多方面研究的创始人与开拓者，国际知名数学家，先后当选美国科学院外籍院士，第三世界科学院院士，法国南锡大学、美国伊利诺大学、香港中文大学荣誉博士，联邦德国巴伐利亚科学院院士等。
钱三强：浙江湖州人，出生于浙江绍兴。核物理专家、中国核原子科学之父，曾师从居里的女儿、诺贝尔奖获得者伊莱娜?居里及其丈夫约里奥?居里。在中国研发原子d期间，担任技术总负责人、总设计师，被追授“两d一星功勋奖章”。
范新弼：电子计算机专家，湖南长沙人。1951年获美国斯坦福大学电子学博士学位，在电子器件研究与应用领域获8项美国专利。归国后，领导我国第一台大型计算机及其后多台大型计算机的磁芯存储器研制工作，领导中国半导体存储元件研究，建立了国内第一批测试设备。
张效祥：计算机专家、中国科学院院士（学部委员）、中国解放军总参谋部计算技术研究所研究员。领导中国第一台大型通用电子计算机的仿制并在此后的35年中主持中国自行设计的电子管、晶体管到大规模集成电路各代大型计算机的研制，为中国计算机事业的创建、开拓和发展，起了重要作用。1985年，领导完成中国第一台亿次巨型并行计算机系统。
钱学森：中国现代物理学家、世界著名火箭专家、全国政协副主席，浙江杭州市人，生于上海。钱学森曾在美国任讲师、副教授、教授以及超音速实验室主任和古根罕喷气推进研究中心主任。1950年开始，历经5年努力，于1955年才回到祖国，1958年起长期担任火箭导d和航天器研制的技术领导职务。
董铁宝：力学家、计算数学家，江苏武进人，“中国第一个程序员”（王选），长期致力于结构力学、断裂力学、材料力学性能、计算数学的研究和教学，我国计算机研制和断裂力学研究的先驱者之一。1945年赴美学习，1956年归国教学，1968年在文革中因受迫害自杀。
金怡濂：中国工程院院士、著名高性能计算机专家、国家最高科学技术奖获得者，原籍江苏常州。中国第一台大型计算机研制者之一，先后提出多种类型、各个时期居国内领先或国际先进水平的大型、巨型计算机系统的设计思想和技术方案，为我国高性能计算机技术的跨越式发展和赶超世界计算机先进水平有着重要贡献。
王选：江苏无锡人。著名的计算机应用专家，主要致力于文字、图形、图象的计算机处理研究。中国科学院院士、中国工程院院士、第三世界科学院院士、国家最高科学技术奖获得者。曾任北大方正集团董事、方正控股有限公司首席科技顾问，九三学社副主席、中国科协副主席、九三学社副主席、中国科协副主席。2003年当选十届全国政协副主席。
周巢尘：计算机软件专家，原籍江苏南汇，中国科学院院士（学部委员）、第三世界科学院院士、中国科学院软件研究所研究员，曾任联合国大学国际软件技术研究所所长。
杨芙清：北京大学计算机学科第一位教授、博士生导师，中国科学院院士（学部委员）、计算机科学技术及软件专家，无锡人。历任软件工程国家工程研究中心主任、北京大学信息与工程科学学部主任、北京大学软件工程研究所所长、北京大学计算机科技系教授。
孙仲秀：计算机科学家、中国科学院院士，原籍浙江余杭，生于江苏省南京市，历任南京大学助教、讲师、副教授、教授、博士生导师、副校长等职。1974年后主持研制了中国国产系列计算机DJS200系列的DJS200/XT1和 DJS200/XT1P等 *** 作系统。从1979年起开始对分布式计算机系统软件和应用进行了研究，1982年在国内首次研制成功ZCZ分布式微型计算机系统，研究和开发了多个实用的分布式计算机系统。
何积丰：中国科学院院士、计算机软件专家，生于上海，祖籍浙江宁波。现任华东师范大学终身教授、软件学院院长，上海嵌入式系统研究所所长、联合国大学国际软件技术研究所高级研究员。早年进行管理信息系统和办公自动化系统的研发。
吴几康：安徽歙县人。计算机专家、中国计算机事业的开拓者之一。曾于1951年至1953年在丹麦任无线电厂开发工程师，归国后调至中国科学院近代物理研究所，后参与筹建计算技术研究所。1965年负责研制成功两台大型通用计算机，后参与筹建771微电子学研究所，任副所长和研究员。
张梓昌：电子计算机专家。江苏崇明（今属上海市）人。历任航天工业部第二研究院所长、测控公司总工程师，中国计算机学会第一届副理事长，中国宇航学会第一、二届理事。长期从事电子设备和计算机的研制，曾负责我国第一台计算机的技术工作，是我国计算机技术的学科带头人之一。
张世龙：北京大学计算机科学与技术系主任、教授，曾参加我国第一台自行设计制造的大型计算机119机和北大红旗计算机的系统设计。
慈云桂：著名计算机科学家、教授，中国科学院技术科学部学部委员，安徽桐城人。历任国防科技大学副校长兼电子计算机系主任和计算机研究所所长等职，先后主持了我国多种型号计算机的研制，从领导研制我国第一台电子管数字计算专用机，到担任“银河”亿次计算机研制的技术总指挥和总设计师，为国家经济建设、国防建设及科学研究事业做出了突出贡献。
冯康：应用数学和计算数学家、中国科学院院士、世界数学史上具有重要地位的科学家。生于江苏南京，原籍浙江绍兴。其独立创造了有限元方法、自然归化和自然边界元方法，开辟了辛几何和辛格式研究新领域。中国现代计算数学研究的开拓者。1997年底国家自然科学一等奖授予冯康的另一项工作“哈密尔顿系统辛几何算法”。历任中国科学院计算技术研究所任副研究员、研究员，中国科学院计算中心主任、名誉主任。(排名不分先后)
(计算机世界报)
参考资料：http://www.cnii.com.cn/20060808/ca371826.htm
随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。
值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元
全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。
本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。
20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。
在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。
笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。
安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。
英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。
第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。
和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。
随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:
与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 :
1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗
2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化
3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。
氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。
半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。
第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。
前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。
从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。
这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。
此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。
对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。
但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。
在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。
比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。
如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。
吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。
观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。
但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。
业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。
“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。
以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”
作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。
虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。
从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。
泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”
吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。
那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。
第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。
其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。
得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:
光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等
电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等
微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。
现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。
早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
具体来看当前主要应用领域的发展情况:
1.新能源汽车
新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。
2.光伏
光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。
3.轨道交通
未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。
4.智能电网
目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。
第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。
时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?
从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。
安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。
具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。
另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。
泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。
OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。
虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。
就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。
此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。
OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。
上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。
当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。
在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议 「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」 。
本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。
行业主要上市企业：目前国内第三代半导体行业的上市公司主要有华润微(688396)、三安光电(600703)、士兰微(600460)、闻泰科技(600745)、新洁能(605111)、露笑科技(002617)、斯达半导(603290)等。
本文核心数据：第三代半导体分类、SiC、GaN电子电力和GaN微波射频产值、SiC、GaN电子电力和GaN微波射频市场规模
行业概况
1、定义
以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AIN)为代表的宽禁带半导体材料，被称为第三代半导体材料，目前发展较为成熟的是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。
与传统材料相比，第三代半导体材料更适合制造耐高温、耐高压、耐大电流的高频大功率器件，因此，其为基础制成的第三代半导体具备更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的导热频，以及更强的抗辐射能力等诸多优势，在高温、高频、强辐射等环境下被广泛应用。
第三代半导体主要包括碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、金刚石、氧化锌(ZnO)，其中，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)并称为第三代半导体材料的“双雄”，是第三代半导体材料的典型代表。
2、产业链剖析：产业链涉及多个环节
第三代半导体产业链分为上游原材料供应，中游第三代半导体制造和下游第三代半导体器件环节。上游原材料包括衬底和外延片中游包括第三代版奥体设计、晶圆制造和封装测试下游为第三代半导体器件应用，包括微波射频器件、电力电子器件和光电子器件等。中国第三代半导体行业产业链如下：
第三代产业链各个环节国内均有企业涉足。从事衬底片的国内厂商主要用露笑科技、三安光电、天科合达、山东天岳、维微科技、科恒晶体、镓铝光电等等从事外延片生产的厂商主要有瀚天天成、东莞天域、晶湛半导体、聚能晶源、英诺赛科等。苏州能讯、四川益丰电子、中科院苏州纳米所等从事第三代半导体器件的厂商较多，包括比亚迪半导体、闻泰科技、华润微、士兰微、斯达半导、扬杰科技、泰科天润等。
行业发展历程：兴起的时间较短
中国第三代半导体兴起的时间较短，2013年，科技部863计划首次阿静第三代半导体产业列为国战战略发展产业。
2016年，为第三代半导体发展元年，国务院国家新产业发展小组将第三半导体产业列为发展重点，国内企业扩大第三半导体研发项目投资，行业进入快速发展期。
2018年1月，中车时代电气建成国内第一条6 英寸碳化硅生产线2018年，泰科天润建成了国内第一条碳化硅器件生产线2019年9月，三安集成已建成了国内第一条6英寸氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)外延芯片产线并投入量产。在2020年7月，华润微宣布国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线正式量产。
2020年9月，第三代半导体写入“十四五”规划，行业被推向风口。
行业发展现状
1、产值规模逆势增长
随着5G、新能源汽车等市场发展，第三代半导体的需求规模保持高速增长。同时，中美贸易战的影响给国产第三代半导体材料带来了发展良机。2020年在国内大半导体产业增长乏力的大背景下，我国第三代半导体产业实现逆势增长。
2020年我国第三代半导体产业电子电力和射频电子总产值超过100亿元，较2019年同比增长69.5%。
其中，SiC、GaN电子电力产值规模达44.7亿元，同比增长54%GaN微波射频产值达到60.8亿元，同比增长80.3%。
2、产能大幅增长但仍供应不足
根据CASA数据显示截至2020年底，我国SiC导电型衬底折算4英寸产能约40万片/年，SiC-on-SiC外延片折算6英寸产能约为22万片/年，SiC-onSiC器件/模块(4/6英寸兼容)产能约26万片/年。
GaN-on-Si外延片折算6英寸产能约为28万片/年，GaN-on-Si器件/模块折算 6 英寸产能约为22万片/年。
但随着新能源汽车、5G、PD快充等市场的发展，我国国产化第三代半导体产品无法满足庞大的市场需求，目前有超过八成产品依赖进口。可见第三代半导体产品国产化替代空间较大。
3、电力电子器件市场规模接近50亿元
2017-2020年，中国SiC、GaN电力电子器件应用市场快速增长，2020年，SiC、GaN电力电子器件应用市场规模为46.8亿元，同比增长90%。
2020年，我国半导体分立器件的市场规模约3002.6亿元，SiC、GaN电力电子器件的应用渗透率约为1.56%。
目前，GaN主要应用在射频及快充领域。SiC重点应用于新能源汽车和充电桩领域。我国作为全球最大的新能源汽车市场，第三代半导体器件在新能源汽车充电桩领域的渗透快于整车市场，占比达38%消费类电源(PFC)占22%光伏逆变器占了15%工业及商业电源、不间断电源UPS、快充电源、工业电机分别占6%、3%、3%、1%。
2020年，我国GaN微波射频器件市场规模约为66.1亿元，同比增长57.2%。其中国防军事与航天应用规模34.8亿元，成为GaN射频主要拉动因素。
国防军事与航天应用是我国GaN微波射频器件的主要应用领域，2020年市场规模占整个GaN射频器件市场的53%其次是无线基础设施，下游市场占比为36%。
行业竞争格局
1、区域竞争格局：江苏省第三代半导体代表性企业分布最多
当前，我国第三代半导体初步形成了京津冀鲁、长三角、珠三角、闽三角、中西部等五大重点发展区域。
从我国第三代半导体行业产业链企业区域分布来看，第三代半导体行业产业链企业在全国绝大多数省份均有分布。其中河南省第三代半导体企业数量分布最多，同时山东、江苏和甘肃等省份企业数量也相对集中。
从代表性企业分布情况来看，江苏省第三代半导体代表性企业分布最多，如苏州纳维、晶湛半导体、英诺赛科等。同时广东、山东代表性企业也有较多代表性企业分布。
2、企业竞争格局：主流企业加速扩张布局
经过初期的发展，第三代半导体迅速在新能源汽车、5G基站、PD快充等领域应用，市场规模增长迅速。同时，行业内的竞争也逐渐加剧。为了迎合市场需求，抢占市场地位，国内主流半导体企业均加强在第三代半导体产业的布局，扩充第三代半导体的产能。其中，代表性的主流企业有三安光电、中电科55所、泰科天润等。
行业发展前景及趋势预测
1、2025年行业规模有望超过500亿元
第三代半导体已经写入“十四五”规划。在国家政策的支持和下游需求增长的背景下，预计到2021-2025年，我国SiC、GaN电力电子器件应用市场将以45%的年复合增长率增长至2025年的近300亿元GaN微波射频器件市场规模将以25.4%的年均复合增长率增长至2025年的205亿元。2025年第三代半导体整体市场规模有望超过500亿元。
2、国产化进程将加速
未来，在市场竞争趋势方面，我国第三代半导体行业国产化率将会加深在细分产品发展趋势方面，SiC需求将会增长在技术发展趋势方面，大尺寸Si基GaN外延等问题将会有所进展。
以上数据参考前瞻产业研究院《中国第三代半导体材料行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》。
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