半導(dǎo)體對(duì)于我們的重要性不言而喻，它涉及方方面面，通訊、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車(chē)、工控、照明、醫(yī)療等行業(yè)分分鐘離不開(kāi)它。近年來(lái)，隨著全球AI、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等發(fā)展，半導(dǎo)體行業(yè)迎來(lái)了更大的爆發(fā)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全球整體半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)4,203.93億美元，較2016年3,458.51億美元，大幅成長(zhǎng)21.6%。
半導(dǎo)體行業(yè)是典型的“金字塔”結(jié)構(gòu)，越上游的企業(yè)越少，產(chǎn)值越大，技術(shù)難度越高。由于起步晚、核心技術(shù)缺少，我國(guó)半導(dǎo)體發(fā)展受限，尤其是核心技術(shù)方面，仍有尚未掌握的關(guān)鍵技術(shù)，到目前為止，關(guān)鍵芯片領(lǐng)域依賴(lài)于進(jìn)口仍是現(xiàn)狀。正因如此，我國(guó)將半導(dǎo)體列為國(guó)家重點(diǎn)規(guī)劃產(chǎn)業(yè)，并在資金、人才、技術(shù)上下苦功，力爭(zhēng)突破瓶頸，振興國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。
這些半導(dǎo)體核心技術(shù)仍待突破
1、頂尖光刻機(jī)
作為集成電路產(chǎn)業(yè)的核心裝備，光刻機(jī)被稱(chēng)為“人類(lèi)最精密復(fù)雜的機(jī)器”。據(jù)OFweek電子工程網(wǎng)編輯了解，當(dāng)前全球能制造高端光刻機(jī)的只有荷蘭的ASML、日本的尼康和佳能三大企業(yè)，它們市場(chǎng)份額超過(guò)八成。
光刻機(jī)又名掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)，曝光系統(tǒng)，光刻系統(tǒng)，它是芯片制造核心中的核心，光刻是半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過(guò)程通過(guò)光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)，光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。
高端光刻機(jī)堪稱(chēng)現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花，其制造難度非常大，現(xiàn)在其最先進(jìn)的EUV（極紫外光）光刻機(jī)已經(jīng)能夠制造7nm以下制程的芯片了，單臺(tái)光刻機(jī)的售價(jià)已經(jīng)超過(guò)了一億美元，中國(guó)完全自主生產(chǎn)的光刻機(jī)只有可憐的90nm制程，差了一大截。光刻機(jī)的研制到底難在哪？并非光刻機(jī)技術(shù)原理難懂，而是光刻機(jī)的制造工藝復(fù)雜。一臺(tái)先進(jìn)的光刻機(jī)有5萬(wàn)多個(gè)零件，設(shè)計(jì)生產(chǎn)不容易，難點(diǎn)是里面的每一步都要求最先進(jìn)的工藝和零件。
2、觸覺(jué)傳感器
傳感器被稱(chēng)為工業(yè)的藝術(shù)品，它與計(jì)算機(jī)、通信被稱(chēng)為信息系統(tǒng)的三大支柱，傳感器技術(shù)優(yōu)劣是衡量一個(gè)國(guó)家科技水平和是否處在國(guó)際戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的重要標(biāo)志，是發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視和爭(zhēng)相發(fā)展的核心基礎(chǔ)技術(shù)。觸覺(jué)傳感器是用于機(jī)器人中模仿觸覺(jué)功能的傳感器。按功能可分為接觸覺(jué)傳感器、力－力矩覺(jué)傳感器、壓覺(jué)傳感器和滑覺(jué)傳感器等。
我國(guó)觸覺(jué)觸感器發(fā)展緩慢的原因之一是工藝不過(guò)關(guān)，精確、穩(wěn)定的嚴(yán)苛要求攔住了我國(guó)大部分企業(yè)向觸覺(jué)傳感器邁進(jìn)的步伐。除了生產(chǎn)工藝，材料純度也是從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn)的“扼咽之處”。導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電塑料、碳納米管、石墨烯等都是可用作觸覺(jué)傳感器的材料。目前，國(guó)內(nèi)石墨烯的生產(chǎn)還可以，但用石墨烯制作傳感器的技術(shù)還不成熟。由于國(guó)內(nèi)觸覺(jué)傳感器起步晚，專(zhuān)利問(wèn)題是繞不過(guò)了！在技術(shù)追趕過(guò)程中，后來(lái)者必須繞過(guò)先行者的相關(guān)專(zhuān)利保護(hù)，除非找到明顯更優(yōu)解，否則很可能會(huì)因?yàn)槔@過(guò)專(zhuān)利而提高技術(shù)達(dá)成的門(mén)檻，這些對(duì)于觸覺(jué)觸感器的國(guó)產(chǎn)化而言都是難關(guān)。
未來(lái)，觸覺(jué)傳感器將朝向更加柔性化、小型化、智能化、人性化方向發(fā)展，觸覺(jué)傳感器的適用范圍將大大拓寬，在人機(jī)交互系統(tǒng)、智能機(jī)器人、移動(dòng)醫(yī)療等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。
3、DSP芯片
DSP芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的芯片。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流水線(xiàn)操作，提供特殊的DSP指令，可以用來(lái)快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。
DSP芯片自誕生以來(lái)得到了飛速發(fā)展，一方面得益于集成電路的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場(chǎng)。在短短二十年時(shí)間里，DSP芯片已在信號(hào)處理、通信、雷達(dá)、圖像、軍事、儀器、自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
目前，全球DSP芯片市場(chǎng)仍是巨頭壟斷，德州儀器、ADI、飛思卡爾、Motorola公司等都是這個(gè)行業(yè)的佼佼者。國(guó)產(chǎn)DSP芯片起步晚， 2006年中電十四所與龍芯公司合作開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)DSP芯片。2012年它們研發(fā)的 “華睿1號(hào)”性能優(yōu)于飛思卡爾公司的MPC8640D，2017年，國(guó)產(chǎn)DSP芯片“華睿二號(hào)”走向市場(chǎng)。
4、CPU
CPU是一塊超大規(guī)模的集成電路，是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。中央處理器主要包括運(yùn)算器（算術(shù)邏輯運(yùn)算單元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)（Data）、控制及狀態(tài)的總線(xiàn)（Bus）。它與內(nèi)部存儲(chǔ)器（Memory）和輸入/輸出（I/O）設(shè)備合稱(chēng)為電子計(jì)算機(jī)三大核心部件。CPU依靠指令來(lái)自計(jì)算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設(shè)計(jì)時(shí)就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。指令的強(qiáng)弱也是CPU的重要指標(biāo)，指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。
美國(guó)的英特爾、超威半導(dǎo)體公司，在CPU領(lǐng)域占據(jù)一半以上的市場(chǎng)。國(guó)產(chǎn)CPU的應(yīng)用領(lǐng)域既涵蓋了嵌入式設(shè)備、服務(wù)器設(shè)備等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，也同時(shí)面對(duì)消費(fèi)級(jí)民用市場(chǎng)。由于服務(wù)對(duì)象和應(yīng)用領(lǐng)域的巨大分歧，不同類(lèi)型的國(guó)產(chǎn)CPU在國(guó)人心中存在感相去甚遠(yuǎn)，如專(zhuān)門(mén)針對(duì)服務(wù)器的飛騰、申威等，知名度不高。
CPU發(fā)展迅速，算力和功耗是衡量其性能的重要指標(biāo)。作為后來(lái)者，中國(guó)的研制水平總是離世界先進(jìn)水準(zhǔn)差一截，如龍芯的性能似乎總跟著英特爾后面跑，龍芯是中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所自主研發(fā)的通用CPU，采用RISC指令集，類(lèi)似于MIPS指令集。好消息是，2015年，中國(guó)發(fā)射首枚使用“龍芯”北斗衛(wèi)星。
5、GPU
又稱(chēng)顯示核心、視覺(jué)處理器、顯示芯片，是一種專(zhuān)門(mén)在個(gè)人電腦、工作站、游戲機(jī)和一些移動(dòng)設(shè)備（如平板電腦、智能手機(jī)等）上圖像運(yùn)算工作的微處理器。用途是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所需要的顯示信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)，并向顯示器提供行掃描信號(hào)，控制顯示器的正確顯示，是連接顯示器和個(gè)人電腦主板的重要元件，也是“人機(jī)對(duì)話(huà)”的重要設(shè)備之一。
6、MPU
MPU又叫微處理器或內(nèi)存保護(hù)單元。MPU是單一的一顆芯片，而芯片組則由一組芯片所構(gòu)成，早期甚至多達(dá)7、8顆，但目前大多合并成2顆，一般稱(chēng)作北橋（North Bridge）芯片和南橋（South Bridge)芯片。MPU是計(jì)算機(jī)的計(jì)算、判斷或控制中心，有人稱(chēng)它為”計(jì)算機(jī)的心臟”。
英特爾、高通、三星、飛思卡爾、聯(lián)發(fā)科及展訊等供應(yīng)商是這個(gè)市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。國(guó)產(chǎn)的MPU市場(chǎng)占有率非常小，幾乎為零，華大、華為、紫光國(guó)芯等企業(yè)在加大研發(fā)相關(guān)技術(shù)。
7、DRAM/NAND Flash
即動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，最為常見(jiàn)的系統(tǒng)內(nèi)存。DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時(shí)間。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)，DRAM使用電容存儲(chǔ)，所以必須隔一段時(shí)間刷新（refresh）一次，如果存儲(chǔ)單元沒(méi)有被刷新，存儲(chǔ)的信息就會(huì)丟失。 英特爾、德州儀器、IBM、韓國(guó)三星和海力士占據(jù)絕對(duì)壟斷地位，在DRAM市場(chǎng)呼風(fēng)喚雨。
長(zhǎng)江存儲(chǔ)、合肥長(zhǎng)鑫、福建晉華是中國(guó)存儲(chǔ)領(lǐng)域的三大新勢(shì)力，2019年會(huì)是中國(guó)存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵年，屆時(shí)有福建晉華、合肥睿力的 DRAM 技術(shù)量產(chǎn)，更有長(zhǎng)江存儲(chǔ)轉(zhuǎn)進(jìn) 64 層 3D NAND 的研發(fā)和生產(chǎn)。未來(lái)兩年將有可能左右未來(lái)十年中國(guó)存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的命運(yùn)。
DRAM是這十大待突破的半導(dǎo)體核心技術(shù)中，最有可能大規(guī)模國(guó)產(chǎn)化的一項(xiàng)技術(shù)，值得期待。
8、CPLD/FPGA
CPLD是從PAL和GAL器件發(fā)展出來(lái)的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶(hù)根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。
FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。
進(jìn)入FPGA這個(gè)行業(yè)的門(mén)檻很高。過(guò)去十多年時(shí)間里，Intel、IBM、摩托羅拉、飛利浦、東芝、三星等60多家公司曾試圖涉足該領(lǐng)域，除Intel以167億美元收購(gòu)阿爾特拉成功進(jìn)軍該領(lǐng)域之外，其余公司紛紛折戟沉沙。目前的FPGA市場(chǎng)， Xilinx（賽靈思）和Altera（阿爾特拉）兩家公司占據(jù)了90%的市場(chǎng)份額。
除了市場(chǎng)份額低之外，國(guó)內(nèi)廠商在技術(shù)水平上和國(guó)外大廠的差距很大。雖然國(guó)內(nèi)FPGA廠商有百家爭(zhēng)鳴之勢(shì)，但基本分布在中低端市場(chǎng)，大多是一些1000萬(wàn)門(mén)級(jí)左右的FPGA，少數(shù)達(dá)到2000萬(wàn)門(mén)級(jí)的FPGA雖然也有自主研發(fā)的。中國(guó)電科的3500萬(wàn)門(mén)級(jí)FPGA和中國(guó)電子7000萬(wàn)門(mén)級(jí)FPGA，是一次重大技術(shù)突破。
9、高端伺服電機(jī)
伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線(xiàn)性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。
德國(guó)企業(yè)是伺服電機(jī)的領(lǐng)航者，倫茨、博世力士樂(lè)、路斯特、倍福等全球知名企業(yè)眾多，市場(chǎng)份額巨大。國(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)目前的現(xiàn)狀是未形成巨頭級(jí)企業(yè)。小功率、小型化伺服電機(jī)居多，高端伺服電機(jī)較少。在一些高檔的應(yīng)用上，尤其是在輕載6kg左右的桌面型機(jī)器人上，高端的國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品稀少。
10、超高射頻芯片
射頻芯片指的就是將無(wú)線(xiàn)電信號(hào)通信轉(zhuǎn)換成一定的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)波形， 并通過(guò)天線(xiàn)諧振發(fā)送出去的一個(gè)電子元器件。射頻芯片架構(gòu)包括接收通道和發(fā)射通道兩大部分。對(duì)于現(xiàn)有的GSM和TD-SCDMA模式而言，終端增加支持一個(gè)頻段，則其射頻芯片相應(yīng)地增加一條接收通道，但是否需要新增一條發(fā)射通道則視新增頻段與原有頻段間隔關(guān)系而定。
中國(guó)是世界最大的手機(jī)生產(chǎn)國(guó)，但造不了高端的手機(jī)射頻器件，這需要材料、工藝和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的踏實(shí)積累。國(guó)內(nèi)從事中低端射頻芯片的企業(yè)眾多，也占據(jù)了相當(dāng)一部分市場(chǎng)，但在高端射頻芯片領(lǐng)域，仍有較大上升空間。
綜述：中國(guó)擁有全球最大的半導(dǎo)體消費(fèi)市場(chǎng)，因核心技術(shù)缺少，中國(guó)對(duì)美國(guó)的半導(dǎo)體進(jìn)口額超過(guò)1000億美元，排名世界第一。中國(guó)是芯片的消耗和進(jìn)口大國(guó)，2017年集成電路進(jìn)口金額2601億美元，金額位列中國(guó)進(jìn)口商品之冠。
“國(guó)產(chǎn)化”是未來(lái)的一大趨勢(shì)，這些國(guó)內(nèi)未解決的半導(dǎo)體核心技術(shù)均是世界級(jí)難題，其難度不亞于造“航空母艦”。對(duì)于企業(yè)和技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，沉下心去做事方能尋求突破和發(fā)展，切勿急于求成，被市場(chǎng)蒙蔽了雙眼，得不償失。
提到GPU，最先想到的是英偉達(dá)，它占據(jù)全球GPU市場(chǎng)一半以上的市場(chǎng)份額，AMD的GPU也占有一席之地。中國(guó)的GPU企業(yè)尚未形成巨大規(guī)模，相關(guān)技術(shù)也在積極研制之中，目前國(guó)內(nèi)在研究GPU的企業(yè)有上海兆芯、華為、圖芯、天數(shù)智芯，華夏芯、芯視圖、中船重工709所、中航631所等。據(jù)OFweek電子工程網(wǎng)編輯獲悉，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司研究的完全具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的凌久GP101，刷新了我國(guó)在國(guó)產(chǎn)顯卡領(lǐng)域的空白，凌久GP101是一款高性能低功耗的，圖形處理芯片，要和歐美等先進(jìn)廠商相比，還有很大的距離，它要達(dá)到世界領(lǐng)先水平，還有漫長(zhǎng)的路要走。
來(lái)源：電子工程網(wǎng)