半导体的发展史及其未来发展趋势

半导体的发展史及其未来发展趋势,第1张

1833年,英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属,一般情况下,金属的电阻随温度升高而增加,但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。

不久, 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结,在光照下会产生一个电压,这就是后来人们熟知的光生伏特效应,这是被发现的半导体的第二个特征。

在1874年,德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关,即它的导电有方向性,在它两端加一个正向电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导电,这就是半导体的整流效应,也是半导体所特有的第三种特性。同年,舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

1873年,英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应,这是半导体又一个特有的性质。 半导体的这四个效应,(jianxia霍尔效应的余绩——四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了,但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。

很多人会疑问,为什么半导体被认可需要这么多年呢?主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料,很多与材料相关的问题就难以说清楚。

半导体于室温时电导率约在10ˉ10~10000/Ω·cm之间,纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料有很多种,按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。除上述晶态半导体外,还有非晶态的有机物半导体等和本征半导体。

1982年,江苏无锡的江南无线电器材厂(742厂)IC生产线建成验收投产,这是一条从日本东芝公司全面引进彩色和黑白电视机集成电路生产线,不仅拥有部封装,而且有3英寸全新工艺设备的芯片制造线,不但引进了设备和净化厂房及动力设备等“硬件”,而且还引进了制造工艺技术“软件”。这是中国第一次从国外引进集成电路技术。第一期742厂共投资2.7亿元(6600万美元),建设目标是月投10000片3英寸硅片的生产能力,年产2648万块IC成品,产品为双极型消费类线性电路,包括电视机电路和音响电路。到1984年达产,产量达到3000万块,成为中国技术先进、规模最大,具有工业化大生产的专业化工厂。 1982年10月,国务院为了加强全国计算机和大规模集成电路的领导,成立了以万里副总理为组长的“电子计算机和大规模集成电路领导小组”,制定了中国IC发展规划,提出“六五”期间要对半导体工业进行技术改造。 1983年,针对当时多头引进,重复布点的情况,国务院大规模集成电路领导小组提出“治散治乱”,集成电路要“建立南北两个基地和一个点”的发展战略,南方基地主要指上海、江苏和浙江,北方基地主要指北京、天津和沈阳,一个点指西安,主要为航天配套。

1986年,电子部厦门集成电路发展战略研讨会,提出“七五”期间我国集成电路技术“531”发展战略,即普及推广5微米技术,开发3微米技术,进行1微米技术科技攻关。 1988年,871厂绍兴分厂,改名为华越微电子有限公司。 1988年9月,上无十四厂在技术引进项目,建了新厂房的基础上,成立了中外合资公司――上海贝岭微电子制造有限公司。 1988年,在上海元件五厂、上无七厂和上无十九厂联合搞技术引进项目的基础上,组建成中外合资公司――上海飞利浦半导体公司(现在的上海先进)。 1989年2月,机电部在无锡召开“八五”集成电路发展战略研讨会,提出了“加快基地建设,形成规模生产,注重发展专用电路,加强科研和支持条件,振兴集成电路产业”的发展战略。 1989年8月8日,742厂和永川半导体研究所无锡分所合并成立了中国华晶电子集团公司。

1990年10月,国家计委和机电部在北京联合召开了有关领导和专家参加的座谈会,并向党中央进行了汇报,决定实施九O八工程。 1991年,首都钢铁公司和日本NEC公司成立中外合资公司――首钢NEC电子有限公司。 1995年,电子部提出“九五”集成电路发展战略:以市场为导向,以CAD为突破口,产学研用相结合,以我为主,开展国际合作,强化投资,加强重点工程和技术创新能力的建设,促进集成电路产业进入良性循环。 1995年10月,电子部和国家外专局在北京联合召开国内外专家座谈会,献计献策,加速我国集成电路产业发展。11月,电子部向国务院做了专题汇报,确定实施九0九工程。 1997年7月17日,由上海华虹集团与日本NEC公司合资组建的上海华虹NEC电子有限公司组建,总投资为12亿美元,注册资金7亿美元,华虹NEC主要承担“九0九”工程超大规模集成电路芯片生产线项目建设。 1998年1月,华晶与上华合作生产MOS圆片合约签定,有效期四年,华晶芯片生产线开始承接上华公司来料加工业务。 1998年1月18日,“九0八” 主体工程华晶项目通过对外合同验收,这条从朗讯科技公司引进的0.9微米的生产线已经具备了月投6000片6英寸圆片的生产能力。 1998年1月,中国华大集成电路设计中心向国内外用户推出了熊猫2000系统,这是我国自主开发的一套EDA系统,可以满足亚微米和深亚微米工艺需要,可处理规模达百万门级,支持高层次设计。 1998年2月,韶光与群立在长沙签订LSI合资项目,投资额达2.4亿元,合资建设大规模集成电路(LSI)微封装,将形成封装、测试集成电路5200万块的生产能力。 1998年2月28日,我国第一条8英寸硅单晶抛光片生产线建成投产,这个项目是在北京有色金属研究总院半导体材料国家工程研究中心进行的。 1998年3月16日,北京华虹集成电路设计有限责任公司与日本NEC株式会社在北京长城-饭店举行北京华虹NEC集成电路设计公司合资合同签字仪式,新成立的合资公司其设计能力为每年约200个集成电路品种,并为华虹NEC生产线每年提供8英寸硅片两万片的加工订单。 1998年4月,集成电路“九0八”工程九个产品设计开发中心项目验收授牌,这九个设计中心为信息产业部电子第十五研究所、信息产业部电子第五下四研究所、上海集成电路设计公司、深圳先科设计中心、杭州东方设计中心、广东专用电路设计中心、兵器第二一四研究所、北京机械工业自动化研究所和航天工业771研究所。这些设计中心是与华晶六英寸生产线项目配套建设的。 1998年6月,上海华虹NEC九0九二期工程启动。 1998年6月12日,深港超大规模集成电路项目一期工程――后工序生产线及设计中心在深圳赛意法微电子有限公司正式投产,其集成电路封装测试的年生产能力由原设计的3.18亿块提高到目前的7.3亿块,并将扩展的10亿块的水平。 1998年10月,华越集成电路引进的日本富士通设备和技术的生产线开始验收试制投 片,-该生产线以双极工艺为主、兼顾Bi-CMOS工艺、2微米技术水平、年投5英寸硅片15万片、年产各类集成电路芯片1亿只能力的前道工序生产线及动力配套系统。 1998年3月,由西安交通大学开元集团微电子科技有限公司自行设计开发的我国第一个-CMOS微型彩色摄像芯片开发成功,我国视觉芯片设计开发工作取得的一项可喜的成绩。 1999年2月23日,上海华虹NEC电子有限公司建成试投片,工艺技术档次从计划中的0.5微米提升到了0.35微米,主导产品64M同步动态存储器(S-DRAM)。这条生产线的建-成投产标志着我国从此有了自己的深亚微米超大规模集成电路芯片生产线。

光伏(Photovoltaic):是太阳能光伏发电系统(Solar power system)的简称,是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应,将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统,有独立运行和并网运行两种方式。同时,太阳能光伏发电系统分类,一种是集中式,如大型西北地面光伏发电系统;一种是分布式(以>6MW为分界),如工商企业厂房屋顶光伏发电系统,民居屋顶光伏发电系统 。

作者|李曙光

编辑|胡刘继

9月15日是“薛定谔的iPhone12”发布前夜,也是华为芯片被断供首日。

这两个话题都上了热搜。于是,便出现了一种很奇妙的分层:有人满怀期待,iPhone12今夜到底会不会发布;有人扼腕痛惜,华为是否已到穷途末路,大骂再也不买苹果。

只是无论如何选择,有些事情已然无可回避。华为的芯片困局,目前无解。

自15日起,美国对于华为的禁令将全面生效。在全球范围内,任何使用美国技术的厂商,将不能擅自与华为进行交易、合作。

华为的芯片设计公司海思,将无法获得台积电的代工。这意味着在美国禁令松动或国产晶圆代工技术取得重大突破之前,华为高端芯片需求仅能来自库存。

这场围猎华为的 游戏 ,自此正式进入白热化。在华为危机背后,中国半导体产业的深层问题错节盘根,难以仅靠修剪表面枝叶解决。

目前,各方对华为芯片的储备数量口径不一。

《日本经济新闻》在5月刊文称,“华为已确保了最多够用1.5至2年的半导体库存,以维持主力业务通信设备及服务器使用的半导体供给。”

但这仅是通信业务方面,以美国厂商赛灵思和英特尔的高端产品为主,对应的是华为通信业务的需求。

在手机芯片储备上,来自产业链端的消息是,台积电供给华为的下一代 5nm 制程麒麟芯片,约为 800 万片。

通信行业资深独立分析师黄海峰则认为:“麒麟9000备货量应约1000万片,可以支撑半年左右。”

据接近华为的人士对市界表示:“华为手机芯片储备量,至少可满足至华为明年上半年的需求。”

华为在2020年上半年手机出货量已超过三星,位列全球第一。上代旗舰手机Mate30系列上市仅4个月,全球销量超过1200万台。因此,即便按照1000万片手机芯片储备算,也仅够华为的一时之需。

2017年“中兴事件”事件之后,美国对华为共计进行了多达10次的制裁升级。

在华为之前,从未有一家公司被美方这样持久、不间断地打压制裁。

为什么是华为?大部分公众心里知晓一些答案,但可能并不明晰。

信息技术(ICT,Information and Communication Technology)催生了第三次工业革命。 美国是第三次工业革命的主导国和发起国,在ICT产业链的各个环节都占据核心优势。

学界普遍认为,21世纪在人工智能的主导下,将步入智能 社会 。智能 社会 由三个战略核心组成:一、芯片/半导体,即信息智能 社会 的心脏,负责信息的计算处理;二、软件/ *** 作系统,即信息智能 社会 的大脑,负责信息的规划决策、资源的调度;三、通信,即信息智能 社会 的神经纤维和神经末梢,负责信息的传输与接收。

作为主导未来 社会 的核心,ICT产业是各国竞赛的必争之地,事关第四次工业革命主导权。

中国在通信和手机等智能终端领域取得了一些市场和技术优势,但是在芯片/半导体上,依旧难以撼动美国的地位。在软件/ *** 作系统上则更为薄弱,在技术、成本、市场等方面暂未找到突破口。

华为虽然在 *** 作系统上目前没有太大建树,但却是中国企业中唯一一家能横跨通信、智能设备(手机、电脑)、半导体/芯片三个领域,撕开美国 科技 铁幕的企业。

这是华为招致美国猛烈打压的根本原因。

点点星光遭遇狂风,华为能否最终摆脱困境?最现实的问题是,华为的芯片储备能够用多久?

多位业内人士对市界表达了不同的意见,悲观者与乐观者皆有之。 一个普遍共识是,短期华为摆脱芯片压力最好解决办法是:美国能够在芯片政策禁令上有所松动,让华为外购高通、联发科、三星厂商的高端芯片,否则华为将会在很长一段时间内元气大伤。

Wit Display首席分析师林芝对市界表示:目前华为芯片之困暂时无解。华为无法逃脱美国半导体产业链“魔爪”,短时间内自建晶圆代工厂不太可能实现。芯片被断供之后,华为更可能从三星、联发科、高通等非中国大陆厂商采购芯片。但现在美国针对联发科、SEMI向华为供货的申请或者呼吁没有给出明确的指示,所有的芯片厂商9月15日之后都不敢给华为供货,华为暂时只能靠备货芯片维持,为重新获得供货争取时间。

高通、联发科和台积电等多家芯片产业链巨头,在美国5月15日的禁令之后,已经向美国政府申请,能够在9月15日后继续供货华为。

但目前尚未有任何一家公司公开表示得到积极回复。

华为研究专家、《华为国际化》作者周锡冰对市界表达了华为问题的乐观态度。他认为: 美国的政治环境有所不同,只要平衡好各方利益,在美国任何事情都是可以谈的。 高通、通用电气等大公司都在试图影响美国政府,高通在美国总统竞选中,提供大量的竞选资金。此前中兴禁令的撤销,这些力量起到了重要作用。再加上美国11月大选的变局,华为在美国政府中寻找到突破口的机会较大。关键是如何平衡好各方利益。

TikTok近期好转的迹象其实印证了这种观点的可能性。

5月15日,美国技术禁令发出后,联发科曾被认为是华为绕开芯片禁令的理想合作者。

但随后在8月17日,美国商务部发布对华为的修订版禁令,试图“阻断”华为外购芯片方案。禁令新增了数条细则,限制了实体清单中的华为作为“买方”“中间收货人”“最终收货人”或“最终用户”参与相关交易,若要交易必须获得许可。

一位联发科内部人士告诉市界:“目前正在商谈中,很有可能最后能够为华为供货。”

而上述接近华为人士亦表示,目前华为也在和三星积极接触、商谈。

博弈仍然在继续。没有任何一方此时亮出全部底牌,给这个敏感又牵一发动全身的问题盖棺定论。

另一个普遍共识是,华为芯片问题被掣肘,除了表面上的竞争和博弈,也应引起中国半导体产业形态,乃至基础科研人员的反思。

中国半导体产业竞争力薄弱

“祸固多藏于隐微,而发于人之所忽。”今日之果,源于昨日之因。

几十年来,劳动密集型产业是中国大陆致富的途径,而半导体需要动辄几十亿的前期投入,而且要10年甚至更久才能见效,鲜有中国企业有这等财力或经验能进行这种理性投资。

过往在全球化大势进程中,直接买芯片一直是中国企业更经济划算的做法。

当局势突变,大家方才意识到,在高 科技 领域中国企业依旧有很长的路要走。

海思的麒麟芯片近年来依靠和华为手机的配合,在市场上逐渐打开了局面,但还是要清楚地意识到:海思的成功也仅仅是在半导体产业链中的IC设计环节,依靠华为手机,占据了11.7%(据市调机构Counterpoint Research发布的2019年全年数据)的市场占有率。

在整个半导体产业链环节中,除海思之外,中国的声音非常微弱。

完整的芯片设计可以分为设计、制造与封装测试三个环节。

但仅仅是设计环节,都是一个庞然的产业链。

海思、联发科、高通都是芯片设计公司。 进行芯片设计之前首先需要“架构”,PC 端一般有英特尔的X86架构。移动端主流都是ARM公司的“ARM架构”。全世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构,移动市场几乎被其垄断。

由于涉及到繁杂的专利问题和技术壁垒,中国目前几乎没有专门的手机芯片架构设计公司。华为的巴龙 5000 通信基带芯片采用的是华为自研的架构,不受 ARM 架构授权的影响,但是属于通信网络芯片。

即便有了架构,华为在进行设计前,还必须使用“EDA 软件工具”。EDA芯片设计软件亦是一个技术壁垒颇高的产业,并且由美国主导。

目前国内EDA企业成规模的仅有华大九天、概伦电子、芯愿景等公司,市场占有率微乎其微。

美国三大厂商Synopsys(新思 科技 )、Cadence(楷登电子)以及Mentor Graphics(明导 科技 ,2016年被西门子收购)则占据了80%以上的市场。

EDA工具链条较长,需要和晶圆代工厂密切配合,但国产先进制程代工也较为落后。 中芯国际目前能够量产商用的是14nm工艺,这个制程水平是5年前的苹果A9处理器水平。

因此,国产EDA企业在落后的路上进行追赶时,不仅跑得慢,跑道也更弯曲。

即便解决了架构和软件,在海思无法触及的芯片生产、封装过程中,依旧由诸多美国技术主导。

华为遭受美国制裁后,中芯国际一直态度谨慎,8月10日,投资者公开询问中芯国际,在美国禁令缓冲期后,还能否继续生产华为海思14nm芯片?中芯国际回应:其面向海内外多元化客户,须尊重经营地法律,合法合规经营。

不少人在网上对于中芯国际的保守态度进行抨击,事实是,比起只会在键盘上打字的网友,中芯国际更清楚自己的处境。

如果美国完全苛刻地行使长臂管辖权,中芯国际理论上在9月15日之后也无法为华为代工。

中芯国际使用的芯片生产设备,离不开从美国企业应用材料(AMAT)和泛林(LAM)的进口。

而最为大众熟知的光刻机霸主荷兰ASML公司,其实是美国一手扶持起来的厂商。

在整个芯片大厦的建造中,知名如海思,也不过是其中小小一环的参与者,而不是主导者。

作为现代 社会 最核心的技术大脑,芯片生产的产业链非常长。每一个环节都需要投入巨额的资金,没有任何一个公司能够包圆这些过程,否则在资金、人才技术方面的压力不可想像。即便是美国,也仅仅在设备、材料、设计、软件工具等领域占据主导地位。

但这就够了,这种优势加上 *** 作系统的垄断,使美国成为地球最强 科技 强国。 中国目前在这个链条中的任何一环都不具备优势,都被掐着脖子。

任正非在2016年有一段令人深思的发言: “随着通信行业逼近香农定理、摩尔定律的极限,华为正在本行业攻入无人区,过去跟着人跑的‘机会主义’高速度将逐渐减缓。”

这句话指出了两个中国 科技 产业的现实:第一,过去我们有很多高速发展和“弯道超车”,一定程度上建立在跟着人家跑、在模仿中创新、在人口红利中撷取利润的基础上。

第二,现在的中国 科技 产业的命题,要从商业模式的创新,过渡到技术的创新,以及从工程数学、物理算法层面的创新,过渡到重大基础理论的创新。

困境的破局之道恐怕藏在教育、 科技 、创新环境等软实力之中。

残酷的是,已有技术优势的发达国家,早已提前努力封堵被追上的可能性。

《瓦森纳协定》最近逐渐成为公众讨论的热词。《瓦森纳协定》全称为《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳安排》,是1996年成立的一个旨在控制常规武器和高新技术贸易的国际性组织。

简单说就是, 世界上的33个主要发达国家联合起来,不把自己的先进技术出口给发展中国家,以长期垄断在发展中的优势地位。

日本就是《瓦森纳协定》协定的成员国,所以中日两国极少在重大技术领域合作;欧盟也是如此。

在《瓦森纳协定》下,芯片制造领域很多最先进的设备,中国是不能直接进口来的。

比如光刻机,全球半导体前15大设备供应商,全部都受到瓦森纳协定限制。出口给中国的设备一般要按照“N-2”的原则审批,就是要比最先进的技术晚两代。再加上审批中拖延个一年半载,实际上落后更多。

在《瓦森纳协定》下,中芯国际只能和比利时微电子研究中心(IMEC)合作。IMEC先从ASML应用材料买设备,用完5年后符合瓦森纳协议要求,再高价转卖给中芯国际。

这就导致中芯国际的设备永远落后国际先进水平5年。 技术之外,这或是中芯国际的量产制程停留在5年前的14nm水平的最大原因。

中国在上世纪80年代发起过半导体三大战役:1986年的“531战略”、1990年的“908工程”和1995年的“909工程”,以期能在高新技术领域追上发达国家的脚步。

在种种困难之下,中国企业没有坚持到最后,而逐渐形成了“造不如买”的思想。在短期效益的驱动下,企业大肆购买国外成熟技术产品和生产线,自主研发沦为下乘。

但芯片产业链的特征是前期需要投入巨大的时间和金钱成本,以换取最后的超高收益。国产芯片在发展的过程中,着实少了一些耐心。

2006年1月17日,“汉芯丑闻”爆发。

上海交通大学微电子学院院长陈进教授发明的“汉芯一号”,被爆仅是从摩托罗拉公司购入56800芯片,再找工人打磨掉MOTO的字样,打上“汉芯一号”,由此诞生了一款国产“世界领先”的芯片。

后来事情逐渐败露,大量媒体介入调查,“汉芯”真相公之于众。陈进在研发过程中,骗取了高达11亿元的科研资金。

此后,中国的芯片项目和公司,天然被公众蒙上一层质疑的眼光。

华为事件引发的中国芯片的尴尬,是无法从表面根治的问题,是一个系统性的产业问题,或许更是一个从基础教育、科研态度就埋下的问题。

浙江传媒学院互联网与 社会 研究院院长方兴东表示:唯有从基础研究出发,加快补上核心技术的短板,培育自己的产业生态,并且进一步在全球市场形成与美国体系的竞争能力,美国政客才无法将高 科技 “政治化”和“武器化”,全球高 科技 才能回归公平竞争的正常秩序。

华为研究专家周锡冰则表示:观察华为几十年,最佩服的是任正非,中国现在缺少像任正非这样高瞻远瞩的人。

海思是厚积薄发的典范,但是也花了华为二十年,前后千亿资金的投入,才在芯片设计一环有所成。可以想像,中国若要在半导体全产业链突围,该需要多少人才、资金、时间。

翻看论坛时会发现,“功成名就”的师兄师姐,总喜欢劝师弟师妹想开点:基础学科研究长久不见天日,跑去搞金融、互联网,买个茅台的股票分分钟翻倍,财富自由。

大树一年生当柴,三年五年生当桌椅,十年百年才有可能生成栋梁。

有时候,养深积厚的笨方法,才是养成坚厚壁垒的方式。

这次,或无直接捷径可走,亦难寻“弯道超车”的机会。


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