芯人必读|三个维度五分钟理解芯片产业

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芯片产业可从芯片技术及影响、“卡脖子”与全球化分工、技术前沿与中国前景三个维度理解,具体如下:

芯片技术及给人类带来的改变芯片本质:简单来说,芯片的本质是半导体 + 集成电路。半导体是芯片的材料,晶体管是用半导体材料制造、广泛用于芯片的元器件。半导体材料的运用让人类实现了用电控制电,控制电的效率得到质的跃升,使用电子完成指令、处理事务的能力得到空前解放。集成电路作用:想要实现复杂控制,需将很多晶体管连到电路中,最有效办法是采用集成电路,即在半导体底衬底上用激光直接刻出线路。例如华为麒麟 990 芯片,由 103 亿颗晶体管组成。芯片功能原理:计算机中所有智能运算都能还原成最基本的 0 和 1,分别对应晶体管电流的中断和连接,晶体管数目越多,芯片能处理的运行越复杂。应用与发展:如今,从消费电子、家用电器到新能源汽车,芯片成为电子设备不可或缺的器件。过去三十多年,全球芯片产业保持年均近 10%的增速,2021 年全球市场规模约为 5600 亿美元。在可预见未来,通过硬件、软件协同发展,摩尔定律(芯片每 18 个月性能提高一倍,成本降低一半)还将继续生效,芯片仍是人类处理信息主要工具。

“卡脖子”与芯片产业的全球化分工生产过程:芯片生产分设计、制造和封测(封装和测试)三个步骤。

芯片设计:是知识密集型行业,需经验丰富的尖端人才,巨头企业有美国的高通、英伟达、超微等。与之紧密相连的 EDA(电子设计自动化)软件是芯片设计必须使用的软件,其算法直接决定芯片设计优劣,是容易被“卡脖子”的关键领域,目前美国企业楷登电子、新思科技和明导国际公司是 EDA 软件三大龙头企业,占据全球 78%和中国 77%的市场份额。

芯片制造:是投入巨大、进入门槛极高的一环。中国台湾的台积电占据全球超一半产能,最先进工艺可将制程推进到 5nm 级别,国内以中芯国际为代表的晶圆代工厂能实现量产的制程是 14 纳米。制造环节依靠光刻工艺将设计电路从版图转移到硅片上,最高端的 EUV(极紫外线光刻机)只有荷兰的阿斯麦尔能生产。

封装测试:是芯片制造的最后一步,国内封装业起步早、发展快,在全球具备一定竞争力。2020 年全球前十大封测企业中,中国大陆企业长电科技、通富微电和华天科技分别位列 3、6、7 名。

生产模式:

IDM 模式:即一家芯片企业同时独立完成芯片的设计、制造和封装,优势在于资源内部整合,美国的英特尔、德州仪器和韩国的三星是代表企业。

分工协作模式:由于芯片生产各环节技术要求高、进入门槛高,分工协作是主流。Fabless 模式专注于芯片设计业务,将生产、测试、封装等环节外包;Foundry 模式只负责制造、封测的一个或多个环节,不负责芯片设计但可同时为多家设计公司提供服务。

产业格局:三个环节中,设计是创新需求最高、变化最快、附加值最高的部分,占据产业链条中超一半的附加值(53%),远高于制造(24%)、封测(6%)和设备(11%)等环节。美国、荷兰、日本、韩国、中国台湾占据着芯片产业链中附加值更高的设计、制造和设备环节。中国在实现高端芯片制造上道阻且长,全球半导体设备市场主要被美国及日本垄断,中国半导体制造设备整体自给率低,尤其在光刻、涂胶显影等尖端设备方面,国产化率均在 5%以下。日本是全球半导体材料的龙头,在全球半导体材料市场占有的综合份额高达 52%,国内半导体材料的自给率整体不高,其中光刻胶、电子特气国产化率同样不足 5%。芯片技术前沿与中国芯片产业的前景市场现状:中国是全球最大的半导体芯片消费市场,根据美国半导体产业协会(SIA)发布的数据,2021 年全球售出 1.15 万亿颗芯片,销售额达到创纪录的 5559 亿美元,其中在中国市场的销售额同比增长 27.1%至 1925 亿美元。不过,在全球芯片产业格局中占据主导地位的依旧是美国,日本次之,欧洲、韩国和中国台湾也分得较大份额。发展机遇:

成熟制程领域:并非所有领域芯片运用都需要最先进制程,汽车领域大部分芯片可由 28nm 以上的成熟制程满足。2021 年,28nm 及以上的成熟制程工艺所制造的芯片,在芯片市场中仍然占有近 50%的份额,近年来多家芯片制造厂商将成熟制程芯片作为主战场纷纷扩产,发展空间较大。

摩尔定律极限逼近:随着摩尔定律极限逼近,领先企业在制程推进上可能快要跑到终点。晶体管沟道不能无限缩短,目前台积电能量产制程 5 纳米的芯片,但向更小量级演进会越来越困难且边际成本大幅提高。

技术突破方向:国产芯片要实现真正赶超,可能需依靠重大技术突破或产业发展赛道切换,以下四个技术方向值得重点关注。

碳纳米管或者石墨烯等新原理器件:电子在其中的传输速度比在硅材料中更快,不把器件制程做到 5 纳米也能达到同样信息处理效率和低功耗,可有效延缓摩尔定律极限逼近。

可重构芯片:芯片内部电路结构可根据适用软件动态调整,使专用芯片适应更多不同场景,降低生产成本。

经典芯片和量子计算芯片的结合:先通过算法将大问题分解成小问题,再将小问题交由量子芯片解决,最后拼装答案得到最终答案。

类脑计算:目前芯片通用运算模式是冯诺依曼体系,效率低,大脑运算模式是“存算一体”,功耗远低于现在的 CPU 芯片,类脑芯片有望实现高性能低功耗的智能运算。

发展展望:从长远看,美国在芯片生态链中的核心地位依旧难以撼动,但中国通过加大投资及人才培养,有望建立自主产业链,建设本土可控的成熟制程产线,新技术、新赛道上的突破能帮助国产芯片更好地迎头赶上。

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上游(光刻胶、硅片这些卡脖子玩意儿,日本信越占全球90%份额)、中游(代工厂拼的是制程和良率,28nm还能喝啤酒,5nm就得跪着调参数)、下游(手机电脑汽车都在抢芯片,去年车企蹲点晶圆厂门口求货的新闻还记得不?)。五分钟?建议边刷短视频边听播客,把EDA工具晶圆厂折旧当奶茶名记,反而记得牢!
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比如把芯片产业想象成修高铁,设计公司画图纸(ARM授权就像高铁设计院),制造厂浇水泥轨道(中芯国际的产线就是工地),封测厂装座椅验票闸机(通富微电干的活)。设备商?就是卖盾构机的德国企业!记住这个比喻,下次听人吹PDK、光刻胶纯度,你至少能笑着点头说~那个挖隧道的啊
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设计公司像菜谱研发员(华为海思那种),制造厂是灶台大厨(中芯国际就是拼命翻锅的),封测厂相当于打包+质检阿姨(长电科技天天数芯片有没有少腿)。设备材料?那就是锅碗瓢盆加五花肉,ASML光刻机等于米其林三星灶具,贵得离谱还限购!五分钟够记个大概,想真懂?先啃完半导体物理再说哈~
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