半导体国产替代空间巨大，如何挖掘机会？

众所周知，这两年因为中兴、华为事件，所以国产半导体国产替代被大家喊得越来越凶。当然事实也确实是如此，毕竟半导体是目前 科技 领域最不可或缺的高 科技 ，一旦被人卡脖子，只有掌握在自己手中，才能不被人卡脖子，那么国产替代的机会在哪里？可以从两个方面来看

一、从技术难度低的先发展起，比如封测

我们知道半导体尤其是大家常说的芯片，有三个主要流程，分别是封测、制造、设计。其中封测的门槛最低，国内也表现较好。

所以我认为国产替代，首先是从封测开始，因为门槛低，同时封测属于相对来讲劳动密集型的，这样国内是有优势的，另外大陆也有封测三强，台湾日月光更是全球第一封测企业。

二、再发展制造业，这个是基础

而在封测之后，再要发展制造业，毕竟制造业都是基础，目前国内技术最落后的，其实说起来还是制造，像封测、设计领域其实较之国际水平，并不差，但制造就差多了。

以台积电为例，目前已经进入7nm，今年会是5nm，但中芯国际才14nm，离5nm至少3-5年吧，并且台积电还在进步，3-5年之后，中芯国际肯定追不上，只能达到台积电现在的水平。

而设计领域是目前国内企业最多的，毕竟设计门槛说高不高，说低不低，在使用ARM、RISC-V等构架之后，设计门槛低多了，再加上投入也少，直接设计出来交给代工企业来生产，这就行了。

所以总体来看，半导体国产替代其实各个环节都是机会，毕竟目前在所有领域都是较为落后的，甚至上下游的材料，设备方面都落后，所有的企业在任何领域，有扎实的基础，都会迎来大发展的。

半导体行业在2019年日子并不好过，整个行业的公司业绩都不太好，严重依赖半导体行业的韩国人均GDP还出现了下降，半导体需求低迷，各类芯片出货量大幅下降，产业链的各个环节都受到了明显的影响。

但随幐5G时代的加速到来，将成为半导体行业拐点的催化剂，5G网络需要全产业链的支撑，包括5G基站、高速PCB以及相关的元器件，5G建设期大概三至五年，会首先带来相关行业的需求复苏。而由5G带来的技术升级，对相关新应用的的驱动，将会带来半导体行业的拐点。

未来几年，半导体行业将会重新进来景气周期，在这个过程中，整个产业链都有望获得复苏，从而带来预期差修复机会，对各细分行业的龙头公司来说，更有可能分享到行业增长的红利，从而带来业绩驱动和估值提升的双重利多预期。

挖掘半导体行业的机会，主要从这几个角度来思考：

第一，是芯片设计行业，芯片设计行业属于芯片产业链中的高附加值部分，包括高通、华为海思、三星、ARM、英特尔等公司，主要就是抢占了芯片设计制高点，通过积累的技术专利，最大化获得行业红利。在A股上市公司中，也有部分芯片设计公司，虽然不能与国际 科技 巨头抗衡，但在各自的细分领域具有明显的垄断优势。

第二，是国产化替代，虽然国内有些半导体公司，实力和美国先进公司尚有一定差距，但从过去几年的情况来看，未来半导体行业将会全面推行国产化替代，只有这样，才不会被西方国家掐脖子，这为很多具有竞争力的国内芯片公司提供了非常好的市场机会，比如在视频芯片方面，国产SOC芯片公司可以很好的替代美国英伟达的芯片。

第三，需补短板的环节，在半导体行业，我们目前在芯片设计方面已经有了海思等实力强大的公司，但在生产环节则不具优势，目前最具竞争力的是中芯国际，已经可以量产14nm制程的芯片，但更高技术的晶圆代工则需要借助于荷兰ASML的光刻机。未来我国将会投入更多技术和资金进行扶持，所以在光刻机方面有研发的公司，有预期支撑。

第四，优势环节公司，虽然在半导体产业链中，我国目前依然有些环节需继续追赶，但也有优势环节。比如说半导体封装行业，我国上市公司中有几家公司都在全球十大封测之列，虽然封测行业的毛利率和净利率都不高，但它是半导体最终成品的必须环节，这些公司具有很高的市场份额，一旦行业复苏，会明显受益。

从这四个方面入手，寻找行业中盈利能力最强、市占率最高、且一直在持续对开发进行投入的公司，这些公司将会进一步巩固自身在行业中的地位，在新一轮半导体行业上升周期中，业绩将会出现明显的改善，会获得半导体行业复苏和全面国产化带来的机会。

去年美国抵制华为事件，以及后来中美贸易战，国内集成电路产业“缺芯少魂”现状日益明显！其实早在2014年6月，国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》，部署充分发挥国内市场优势，营造良好发展环境，激发企业活力和创造力，带动产业链协同可持续发展，加快追赶和超越的步伐，努力实现集成电路产业跨越式发展。随着近几年政策支持力度加大，集成电路，以及国产芯片发也势如破竹！今年1月中旬，中芯国际14nm生产线正式投产，提前一年实现量产，12nm亦开始客户导入。据中芯国际官网报道，中芯南方集成电路制造有限公司已于2019年第三季度成功量产第一代14纳米FinFET工艺，这是国内第一条14nm工艺生产线，成为中国内地最先进的集成电路生产基地。据悉，中芯国际从2015年开始研发14nm，目前良品率已经达到95%，意味着提前一年《国家集成电路产业发展推进纲要》完成了重要发展目标。

现状：中国连续多年成为全球最大的集成电路市场，占全球市场的需求比例逐年增加，2014年超过了全球市场的一半，2017年达到了全球市场的56.2%。集成电路是中国最大的单一进口商品，从2013年起连续第六年超过2000亿美元，2018年更是突破3000亿美元，是价值最高的进口商品。不仅如此，世界排名前20的集成电路企业中，三分之一的企业超50%的业绩来自中国，三分之二的企业30%的业绩来自中国，因此中国对全球大多数集成电路企业来说也是无可替代的重要市场，可见半导体国产替代空间巨大！

下面一张是国信证券半导体产业图可供挖掘：

在半导体行业当中，目前我们最有可能成长为国际主流的就是半导体封测行业，因为它最接近制造业的特征，需要大规模投资和大量的设备，土地，资金，我国在这些方面最有优势。在技术方面，半导体封测的技术发展不如半导体设计行业那么快，设备可以快速采购和研发升级，容易在庞大的国内市场需求下扩大生产规模和市场占有率，所以，聚焦我国已经具有庞大生产基础和市场基础的半导体封测行业，可能该行业能够最快速的产生类似台积电一样的世界一流企业，中芯国际，长电国际是目前的市场龙头企业，也最有发展潜力！

我国封测业未来展望，高级封测终将成为主流

近几年的海外并购让中国封测企业快速崛起，获得了技术、市场并弥补了一些结构性的缺陷。但是封测行业马太效应明显，海外优质并购标的显著减少，未来通过并购取得先进封装技术与市占率可能性很小，自主研发+技术升级将会成为主流。 我国封测行业未来发展方向应该由“量的增长”向“质的突破”转化。

量的增长：传统封装行业的特点是重人力成本、轻资本与技术。 半导体产业链三个环节中，设计对技术积累与人才要求最高；制造对资本投入要求高；封装产业对资本与人才要求相对较低，而对人工成本在三个环节中最 敏感。最终体现为设计和制造的附加值最高，封测的利润附加值最低。我国大陆 2018 年设计和制造合计占半导体销售额的 66%，封测占比 34%。台湾企业在全球封测市场占有率最高，但是 2018 年封测行业营收占台湾半导体市场总营收只有 19%，更多是利润来自于制造和设计。封装行业对人力成本最敏感，大陆封测行业上市公司 2018 年每百万营收需要职工数为 2.06 人，头部四家封测公司（长电、华天、通富、晶方）平均为 1.59 人，同期 IC 设计行业和制造行业（中芯、华宏）分别为 0.75 和 0.74 人。

后摩尔时代，在物理尺寸即将走到极限、制程技术不能带来有效的成本降低时，半导体硬件上的突破将会更加依赖先进封装技术。 因为先进封装更加灵活，不局限于晶体管尺寸的缩小，而是可以灵活的的结合现有封装技术降低成本；研发投入和设备投入也没有半导体制造资本支出高，这将成为延续摩尔定律的关键。

“质的突破”：传统封测由于技术壁垒低、同业竞争激烈，利润提高空间非常小，未来我国封测行业应该向利润附加值更高的高级封测转化，资本支出将取代人力成本作为新的行业推动力 。下一个半导体发展周期将依靠 AI、5G、IOT、智能 汽车 等新兴应用，这些新兴应用都对电子硬件有着共同的要求：高性能、高集成、高速度、低功耗、低成本。先进封装技术是解决各种性能需求和复杂异构集成需求等硬件方面的完美选择。

由于先进封装涉及中道晶圆制造所用技术与设备，利润附加值增长的同时资本和技术的投入也是远高于传统封测，先进封装资本支出类似于“晶圆制造”。先进封装涉及到晶圆研磨薄化、重布线、凸点制作（Bumping）及 3D-TSV 等制程，在制程中需要用到刻蚀、沉积等前道设备，这必然意味着大规模的资本支出，同时也意味着半导体中下游产业链业务分界模糊，相互渗透和拓展。例如 TSMC 推出的 InFO 集成扇出型高级封装和 CoWoS 晶圆基底芯片封装技术提供了一种除了 IC 设计业务外承包整个 IC 制造的商业模式，成功让 TSMC 拿到了 3 代苹果公司的订单；Intel 与 AMD 也已经推出嵌入式多芯片互连桥接(Embedded Multi-chip Interconnection Bridge, EMIB)技术，并成功运用在商业量产上，也就是英特尔的第八代 Core G 系列处理器。台积电 2016 年仅InFO 资本投入达 9.5 亿美元，而日月光 2016 年资本支出预计仅约 8 亿美元。与传统封装不同，先进封装资本支出才是核心驱动力。

A股核心标的介绍

（一）长电 科技 ：封测龙头，管理层优化及大客户转单驱动公司成长

长电 科技 作为全球 IC 封测环节中的第一梯队企业，其分立器件以及集成电路封装测试业务已经涵盖全球主要半导体客户，且在先进封装方面亦不断向国际先进水平靠拢。2019 年，公司大刀阔斧的进行管理层优化整合，由经验丰富的中芯国际团队负责公司的产能优化和业务整合。2019 年 9 月郑力先生接任公司 CEO 及董事职务，郑力先生之前是恩智浦全球高级副总裁兼大中华区总裁，并承担多个高级管理职务，凭借其在集成电路领域近 30 年的经验，将带领长电 科技 迈向新的台阶。

此外，2019 年以来，受中美贸易摩擦影响，华为海思相关订单呈现加速转向中国大陆趋势。而长电 科技 作为本土规模最大，技术路线最丰富的半导体封测企业，毫无疑问将会是这一轮华为转单的最大收益者。

（二）华天 科技 ：CIS+存储+射频，多维布局抢占先机

华天 科技 作为是一家本土前三、世界前十的半导体封装公司，主营业务覆盖全面，从传统封测到先进封测等多个系列。华天 科技 近几年一直稳健扩张，财务结构良好，毛利率一直维持稳定。随着 2019 年三季度以来行业整体回暖，订单逐月增加，各厂产能利用率逐步提升。

 天水厂以中低端传统封装为主，包括引线框架、部分 BGA、MCM 和 FC 业务，2019Q2产能利用率回升至 90%，盈利稳定。

 西安厂主要以 QFN 和 BGA 等中端封测技术为主，Q1 产能利用率在 70%左右， 2019Q2满产。

 昆山厂主要业务是包括 WLP、Bumping、MEMS 和 TSV 等 2.5D-3D 高端封测技术，，，当前手机前置镜头 CIS 和安防镜头 CIS 封装订单饱满。随着全球市场恢复，国内市场在华为订单转移加持下恢复速度加快，高级封测需求量有望大幅度提升。

此外，南京新厂的产能扩充和海外先进封测业务拓展将会是华天 科技 最值得期待盈利增长点。公司南京基地主要部署存储器、MEMS、人工智能等高级封测产线，已于 2019年年初开工建设，预计 2020 年投产。海外并购公司 Unisem 拥有完整的 Bumping、SiP、FC、MEMS 等先进封装技术，公司财务状况良好，现阶段整合顺利。Unisem 主要客户包括 Broadcom、Qorvo、Skyworks 等公司，有望显著受益 5G 射频的芯片封装。

从华天 科技 各大业务布局来看：稳健扎实的传统封装是公司业绩的核心压舱石，而近年来积极部署的先进封装也正随着 CIS、存储和 5G 射频的景气高涨而开花结果，公司业绩正加速向前。

（三）通富微电：各大基地协同发力，AMD 合作渐入佳境

经过多年内生成长+外延并购的发展战略，公司现已具备六处生产基地，其产能规模及营收体量均跃居全球半导体封测行业前列，下游应用遍及手机终端、存储芯片、 汽车 电子、CPU、GPU 等众多领域。2018 年公司营收增长 10.79%，营收增速在全球前十大封测公司中排名第二，营收规模由 2017 年的全球第七上升至全球第六，行业地位进一步提升。

2019 年上半年，通富超威苏州、通富超威槟城实现逆势增长 32.16%的亮丽成绩；与此同时，通富超威苏州成为第一个为 AMD7 纳米全系列产品提供封测服务的工厂，第二季度末7纳米产品出货总量超出AMD预期8%，标志着苏州槟城两厂被纳入通富麾下之后，其业务能力日益精进。8 月 8 日，AMD 推出了全球首款 7 纳米芯片，谷歌与推特也宣布未来将会在数据中心的 CPU 部分采用 AMD 核心处理器的产品。通富超威苏州、槟城作为给 AMD 7nm 产品提供封测服务的两大基地，有望显著受益于 AMD 未来的营收增长。

（四）晶方 科技 ：CIS 持续景气，多年深耕终结硕果

晶方 科技 是国内 WLP 先进封测技术的领军企业之一，主要专注于传感器领域的先进封测业务。产品应用于消费电子、安防、生物识别、 汽车 电子等诸多领域。目前公司是全球第二大能提供影像传感芯片晶圆级尺寸封装业务的服务商。2019 年 1 月，公司收购海外公司 Anteryon，其完整的晶圆级光学组件制造量产能力和技术与公司现有的WLCSP 封测形成良好的协同作用。

受“平安城市,天网工程,雪亮工程”驱动，我国视频监控市场增长率 15%左右，2020年有望达到 1683 亿。公司高阶 CMOS 封装产品有望持续受益于日渐增长的视频监控需求。此外 汽车 领域，ADAS 系统镜头数目的巨大需求量也是推动公司封测产片出货量增长的主要动力。据 HIS 数据，随着 ADAS 渗透率提升，2020 年全球 汽车 摄像头将达到8300 万枚，复合增速 20%。预计 汽车 电子、医疗 健康 、安防等其他应用将是未来 5 年市场成长新动能，作为主要下游封测厂商，晶方 科技 将优先受益。传感器封测市场中摄像头、指纹识别与 3D 传感仍占较大份额。目前，手机摄像头、指纹识别与 3D 传感渗透率增高，都加速图像传感器的发展，CIS 芯片封装需求快速增长将会是公司未来值得期待的看点。

受景气度高涨影响，公司当前产能呈现供不应求的状态。2019 年 12 月，晶方 科技 发布定增预案，拟募集资金不超过 14 亿，用于集成电路 12 英寸 TSV 及异质集 成智能传感器模块项目，项目建成后将形成年产 18 万片的生产能力；达产后预计年增 1.6 亿净利润。随着募投项目落地，公司业绩将被显著增厚。

（五）长川 科技 ：显著受益于景气周期中封测环节 Capax 提升

长川 科技 作为一家专业的半导体设备公司，公司主要为集成电路封装测试企业、晶圆制造企业、芯片设计企业等提供测试设备，集成电路测试设备主要包括测试机、分选机、探针台、自动化生产线等，目前本公司主要产品包括测试机、分选机及自动化生产线。随着本轮半导体景气周期见底回升，以台积电为首的晶圆厂相济调高资本支出，大幅扩产以应对强劲的市场需求，按照半导体产业链的传导规律，晶圆厂的产能扩张也势必蔓延至中下游封装厂商。此外，在全球半导体产业向国内转移的过程中，对中国大陆来说，无论是晶圆厂还是封装厂都景气周期都将是强于全球行业周期。 与此同时我们也看到，随着长电/华天/通富/晶方的产能满载，其扩产意愿愈加迫切，故而我们认为长川 科技 作为国内领先的半导体封装测试设备供应商，将有望显著受益于此一轮半导体行业景气周期+国产化趋势。

投资建议

自 2019 年下半年以来，全球范围内新一轮半导体景气已基本确立并拉开帷幕。对于大陆 IC 从业者来说，华为转单与产业转移的逻辑将进一步强化本轮景气周期并使其在中国大陆的演绎更加淋漓尽致。封测环节作为本土半导体产业链中最为成熟的领域，其订单承接能力更具确定性。标的方面，我们看好封测环节的长电 科技 、晶方 科技 、通富微电、华天 科技 ，以及封测设备厂商长川 科技 。

半导体国产替代空间巨大，如何挖掘机会？

目前，中国

不可能进行产业跃迁，半导体行业需要强大的专业知识和技术手段，没接触过的人贸然进入这个领域，只是投钱而已。

我国半导体行业现状

沉寂多年的半导体行业，因为全球性芯片缺货再次疯狂起来。

对中国而言，紧迫程度则更甚。自中兴、华为事件开始，芯片市场对国产替代的需求裹挟着爱国情绪逐步爆发。在产业端肩担重任的同时，资本闻风而动——逻辑很简单，中国要摆脱“卡脖”语境，重塑本土的半导体产业链，这其中必然孕育着巨大的机会。

芯片代工厂龙头台积电总营收达1.34万亿新台币（约合人民币3020亿），营收高于绝大多数科技公司的市值，但其购买一台ASML生产的先进制程顶级EUV光刻机就要花费1.48亿欧元（约合人民币11.74亿元）。如果这样的设备、技术能够自强，产业的势能将无限放大。

芯片狂潮来袭已不是什么新闻，但水大鱼大，泡沫也大。武汉弘芯、成都格芯、贵州华芯通等芯片烂尾项目敲响行业警钟，而一级市场投资人对于芯片的热情丝毫不减。

一位知名FA（财务顾问）机构创始人表示，市场上50%的机构都在看半导体，这已然成为投资人见面的必聊话题。而另一位不愿透露姓名的FA科技板块负责人告诉「资本侦探」：“有个项目，投资人连创始人的面都没见过，直接发出去4亿的TS（投资意向书）。更多的投资人则为抢不到好项目发愁。”

不过，有意思的是，在这场盛筵刚刚开席后不久，资本阵营里出现了观点分化，市场也悄然起了变化。

一级市场如火如荼，但二级市场显然对这件事多了许多冷思考。近期更是出现了一波芯片概念股的集体下跌，甚至有分析师认为半导体将进入下跌期。

存量的半导体上市公司正在疯狂的解禁。解禁意味着减持的可能性，减持则意味着市场上供给出来的股票变多了。

一方面是国家大基金。

三大半导体龙头上市公司晶方科技、兆易创新、安集科技发布公告称，国家大基金将减持公司股份不超过总股本的2%，减持金额分别为5.63亿元、19.78亿元、3.69亿元，合计近30亿元。

市场普遍认为此次减持的原因是国家大基金的投资已进入回收期，现阶段正有序减持回收资金。大基金一期成立，股东包括财政部、国开金融等机构，是为扶持中国本土半导体产业而设立的专项基金。其投资计划为15年，分为投资期、回收期、延展期各5年，如今资金回笼是正常流程，此后，新设立的大基金二期将继续投资半导体市场。

当然，大基金的减持还在继续，伴随着企业情况陆续达到大基金的退出要求，之后还会有更多的减持情况出现。

另一方面是小非（<5%的非流通股股东）。“很多PE机构赚了钱要「跑路」，导致供给又变多了，估值下压。”

例如中微公司的小非公告出来清仓式解禁。去年7月，中微公司合计约1.94亿股的首发原股东限售股份解禁，约占公司总股本的36.27%，24日公司公告显示置都（上海）投资中心、嘉兴悦橙投资、嘉兴创橙投资等九家原始机构股东计划通过询价转让方式减持公司股份，这九家公司合计持股占公司总股本的2.66%。

过去几十年，全球半导体行业增长主要受台式机、笔记本电脑和无线通信产品等尖端电子设备的需求，以及基于云计算兴起的推动。这些增长将继续为高性能计算市场领域开发新应用程序。

首先，5G将让数据量呈指数级增长。我们需要越来越多的服务器来处理和存储这些数据。2020年Yole报告，这些服务器核心的高端CPU和GPU的复合年增长率有望达到29%。它们将支持大量的数据中心应用，比如超级计算和高性能计算服务。在云 游戏 和人工智能等新兴应用的推动下，GPU预计将实现更快增长。例如，2020年3月，互联网流量增长了近50%，法兰克福的商业互联网数据交换创下了数据吞吐量超过每秒9.1兆兆位的新世界纪录。

第二个主要驱动因素是移动SoC——智能手机芯片。这个细分市场增长虽然没有那么快, 但这些SoC在尺寸受限的芯片领域对更多功能的需求，将推动进一步技术创新。

除了逻辑、内存和3D互联的传统维度扩展之外，这些新兴应用程序将需要利用跨领域的创新。这需要在器件、块和SoC级别进行新模块、新材料和架构的改变，以实现在系统级别的效益。我们将这些创新归纳为半导体技术的五大发展趋势。

趋势一:摩尔定律还有用，将为半导体技术续命8到10年…

在接下来的8到10年里，CMOS晶体管的密度缩放将大致遵循摩尔定律。这将主要通过EUV模式和引入新器件架构来实现逻辑标准单元缩放。

在7nm技术节点上引入了极紫外(EUV)光刻，可在单个曝光步骤中对一些最关键的芯片结构进行了设计。在5nm技术节点之外(即关键线后端(BEOL)金属节距低于28-30nm时)，多模式EUV光刻将不可避免地增加了晶圆成本。最终，我们希望高数值孔径(High-NA) EUV光刻技术能够用于行业1nm节点的最关键层上。这种技术将推动这些层中的一些多图案化回到单图案化，从而提供成本、产量和周期时间的优势。

Imec对随机缺陷的研究对EUV光刻技术的发展具有重要意义。随机打印故障是指随机的、非重复的、孤立的缺陷，如微桥、局部断线、触点丢失或合并。改善随机缺陷可使用低剂量照射，从而提高吞吐量和成本。

为了加速高NA EUV的引入，我们正在安装Attolab，它可以在高NA EUV工具面世之前测试一些关键的高NA EUV材料(如掩膜吸收层和电阻)。目前Attolab已经成功地完成了第一阶段安装，预计在未来几个月将出现高NA EUV曝光。

除了EUV光刻技术的进步之外，如果没有前沿线端(FEOL)设备架构的创新，摩尔定律就无法延续。如今，FinFET是主流晶体管架构，最先进的节点在6T标准单元中有2个鳍。然而，将鳍片长度缩小到5T标准单元会导致鳍片数量减少，标准单元中每个设备只有一个鳍片，导致设备的单位面积性能急剧下降。这里，垂直堆叠纳米薄片晶体管被认为是下一代设备，可以更有效地利用设备占用空间。另一个关键的除垢助推器是埋地动力轨(BPR)。埋在芯片的FEOL而不是BEOL，这些BPR将释放互连资源路由。

将纳米片缩放到2nm一代将受到n-to-p空间约束的限制。Imec设想将Forksheet作为下一代设备。通过用电介质墙定义n- p空间，轨道高度可以进一步缩放。与传统的HVH设计相反，另一个有助于提高路由效率的标准单元架构发展是针对金属线路的垂直-水平-垂直(VHV)设计。最终通过互补场效应晶体管(CFET)将标准cell缩小到4T，之后充分利用cell层面上的第三维度，互补场效应晶体管通过将n-场效应晶体管与p-场效应晶体管折叠。

趋势2: 在固定功率下，逻辑性能的提高会慢下来

有了上述的创新，我们期望晶体管密度能遵循摩尔所规划的路径。但是在固定电源下，节点到节点的性能改进——被称Dennard缩放比例定律，Dennard缩放比例定律（Dennard scaling）表明，随着晶体管变得越来越小，它们的功率密度保持不变，因此功率的使用与面积成比例；电压和电流的规模与长度成比例。

世界各地的研究人员都在寻找方法来弥补这种减速，并进一步提高芯片性能。上述埋地电力轨道预计将提供一个性能提高在系统水平由于改进的电力分配。此外，imec还着眼于在纳米片和叉片装置中加入应力，以及提高中线的接触电阻(MOL)。

二维材料如二硫化钨(WS2)在通道中有望提高性能，因为它们比Si或SiGe具有更强的栅长伸缩能力。其中基于2d的设备架构包括多个堆叠的薄片非常有前景，每个薄片被一个栅极堆叠包围并从侧面接触。模拟表明，这些器件在1nm节点或更大节点上比纳米片的性能更好。为了进一步改善这些器件的驱动电流，我们着重改善通道生长质量，在这些新材料中加入掺杂剂和提高接触电阻。我们试图通过将物理特性(如生长质量)与电气特性相关联来加快这些设备的学习周期。

除了FEOL, 走线拥挤和BEOL RC延迟，这些已经成为性能改善的重要瓶颈。为了提高通径电阻，我们正在研究使用Ru或Mo的混合金属化。我们预计半镶嵌(semi-damascene)金属化模块可同时改善紧密距金属层的电阻和电容。半镶嵌(semi-damascene) 可通过直接模式和使用气隙作为介电在线路之间(控制电容增加)

允许我们增加宽高比的金属线(以降低电阻)。同时，我们筛选了各种替代导体，如二元合金，它作为‘good old’ Cu的替代品，以进一步降低线路电阻。

趋势3:3D技术使更多的异构集成成为可能

在工业领域，通过利用2.5D或3D连接的异构集成来构建系统。这些有助于解决内存问题，可在受形状因素限制的系统中添加功能，或提高大型芯片系统的产量。随着逻辑PPAC(性能-区域-成本)的放缓，SoC 的智能功能分区可以提供另一个缩放旋钮。一个典型的例子是高带宽内存栈(HBM)，它由堆叠的DRAM芯片组成，这些芯片通过短的interposer链路直接连接到处理器芯片，例如GPU或CPU。最典型的案例是Intel Lakefield CPU上的模对模堆叠， AMD 7nm Epyc CPU。在未来，我们希望看到更多这样的异构SOC，它是提高芯片性能的最佳桥梁。

在imec，我们通过利用我们在不同领域(如逻辑、内存、3D…)所进行的创新，在SoC级别带来了一些好处。为了将技术与系统级别性能联系起来，我们建立了一个名为S-EAT的框架(用于实现高级技术的系统基准测试)。这个框架可评估特定技术对系统级性能的影响。例如:我们能从缓存层次结构较低级别的片上内存的3D分区中获益吗?如果SRAM被磁存储器(MRAM)取代，在系统级会发生什么?

为了能够在缓存层次结构的这些更深层次上进行分区，我们需要一种高密度的晶片到晶片的堆叠技术。我们已经开发了700nm间距的晶圆-晶圆混合键合，相信在不久的将来，键合技术的进步将使500nm间距的键合成为可能。

通过3D集成技术实现异质集成。我们已经开发了一种基于sn的微突起互连方法，互连间距降低到7µm。这种高密度连接充分利用了透硅通孔技术的潜力，使>16x更高的三维互联密度在模具之间或模具与硅插接器之间成为可能。这样就大大降低了对HBM I/O接口的SoC区域需求(从6 mm2降至1 mm2)，并可能将HBM内存栈的互连长度缩短至多1 mm。使用混合铜键合也可以将模具直接与硅结合。我们正在开发3µm间距的模具到晶圆的混合键合，它具有高公差和放置精度。

由于SoC变得越来越异质化，一个芯片上的不同功能(逻辑、内存、I/O接口、模拟…)不需要来自单一的CMOS技术。对不同的子系统采用不同的工艺技术来优化设计成本和产量可能更有利。这种演变也可以满足更多芯片的多样化和定制化需求。

趋势4:NAND和DRAM被推到极限非易失性存储器正在兴起

内存芯片市场预测显示，2020年内存将与2019年持平——这一变化可能部分与COVID-19减缓有关。2021年后，这个市场有望再次开始增长。新兴非易失性存储器市场预计将以>50%的复合年增长率增长，主要受嵌入式磁随机存取存储器(MRAM)和独立相变存储器(PCM)的需求推动。

NAND存储将继续递增，在未来几年内可能不会出现颠覆性架构变化。当今最先进的NAND产品具有128层存储能力。由于晶片之间的结合，可能会产生更多的层，从而使3D扩展继续下去。Imec通过开发像钌这样的低电阻字线金属，研究备用存储介质堆，提高通道电流，并确定控制压力的方法来实现这一路线图。我们还专注于用更先进的FinFET器件取代NAND外围的平面逻辑晶体管。我们正在 探索 3D FeFET与新型纤锌矿材料，作为3D NAND替代高端存储应用。作为传统3D NAND的替代品，我们正在评估新型存储器的可行性。

对于DRAM，单元缩放速度减慢，EUV光刻可能需要改进图案。三星最近宣布EUV DRAM产品将用于10nm (1a)级。除了 探索 EUV光刻用于关键DRAM结构的模式，imec还为真正的3D DRAM解决方案提供了构建模块。

在嵌入式内存领域，我通过大量的努力来理解并最终拆除所谓的内存墙，CPU从DRAM或基于SRAM的缓存中访问数据的速度有多快?如何确保多个CPU核心访问共享缓存时的缓存一致性?限制速度的瓶颈是什么? 我们正在研究各种各样的磁随机存取存储器(MRAM)，包括自旋转移转矩(STT)-MRAM，自旋轨道转矩(SOT)-MRAM和电压控制磁各向异性(VCMA)-MRAM)，以潜在地取代一些传统的基于SRAM的L1、L2和L3缓存(图4)。每一种MRAM存储器都有其自身的优点和挑战，并可能通过提高速度、功耗和/或内存密度来帮助我们克服内存瓶颈。为了进一步提高密度，我们还在积极研究可与磁隧道结相结合的选择器，这些是MRAM的核心。

趋势5:边缘人工智能芯片行业崛起

边缘 AI预计在未来五年内将实现100%的增长。与基于云的人工智能不同，推理功能是嵌入在位于网络边缘的物联网端点(如手机和智能扬声器)上的。物联网设备与一个相对靠近边缘服务器进行无线通信。该服务器决定将哪些数据发送到云服务器(通常是时间敏感性较低的任务所需的数据，如重新培训)，以及在边缘服务器上处理哪些数据。

与基于云的AI(数据需要从端点到云服务器来回移动)相比，边缘 AI更容易解决隐私问题。它还提供了响应速度和减少云服务器工作负载的优点。想象一下，一辆需要基于人工智能做出决定的自动 汽车 。由于需要非常迅速地做出决策，系统不能等待数据传输到服务器并返回。考虑到通常由电池供电的物联网设备施加的功率限制，这些物联网设备中的推理引擎也需要非常节能。

今天，商业上可用的边缘 AI芯片，加上快速GPU或ASIC，可达到1-100 Tops/W运算效率。对于物联网的实现，将需要更高的效率。Imec的目标是证明推理效率在10.000个Tops /W。

通过研究模拟内存计算架构，我们正在开发一种不同的方法。这种方法打破了传统的冯·诺伊曼计算模式，基于从内存发送数据到CPU(或GPU)进行计算。使用模拟内存计算，节省了来回移动数据的大量能量。2019年，我们演示了基于SRAM的模拟内存计算单元(内置22nm FD-SOI技术)，实现了1000Tops/W的效率。为了进一步提高到10.000Tops/W，我们正在研究非易失性存储器，如SOT-MRAM, FeFET和基于IGZO（铟镓锌氧化物）的存储器。

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