殷佳琪潘涛
(兰州资源环境职业技术大学甘肃兰州730022)
摘要：随着信息技术的不断发展，现代电子信息产业的支撑越来越离不开集成电路产业，由此衍生出各类终端，如互联网、大数据、云计算、物联网、5G通信、AI等一系列产业，在人们生活的各个领域发挥着不可忽视的作用，促使集成电路这一产业成为全球竞争的主流产业。该文详细阐述了集成电路产业发展动态，分析了对集成电路产业的挑战因素，并据此提出了行业发展建议。 关键词：信息技术集成电路产业行业发展人工智能
中图分类号：F426.63文献标识码：A文章编号：1672-3791(2021)10(a)-0054-06 Overview of Integrated Circuit Industry
YIN Jiaqi PAN Tao
(Lanzhou Resources and Environment Vocational and Technical University,Lanzhou,Gansu Province,
730022China)
Abstract:With the continuous development of information technology,the support of modern electronic infor‐mation industry is more and more inseparable from the integrated circuit industry.A series of terminals such as in‐ternet,big data,cloud computing,internet of things,5G communication and AI etc.,have been derived from this. These industries play an important role in all fields of our life and make the integrated circuit industry become the mainstream industry of global competition.This paper expounds the development trend of integrated circuit indus‐try in detail,analyzes the challenge factors to integrated circuit industry,and puts forward some suggestions for in‐dustry development.
Key Words:Information technology;Integrated circuit industry;Industry development;Artificial intelligence
1958年第一颗集成电路的诞生，促进了半导体技术的持续发展，使分立电路迈向集成化发展。直至今日，人们的手机、电脑、各类芯片都离不开集成电路产业的发展壮大，所以现代电子信息产业的支撑越来越离不开集成电路产业[1]，这也让集成电路这一产业成为全球竞争的主流产业。 我国集成电路产业的发展基础较为薄弱，部分环节不具有核心竞争力，依赖进口情况严重，为此很容易遭受外来制裁，受制于人。我国是世界上最大的集成电路消费市场，消费额约占全球一半以上，但
自给率却仅仅只有30%。所以，发展集成电路产业已经到了刻不容缓的地步[2]。随着近几年来各方力量的不懈努力，集成电路产业在我国已经呈现迅猛发展的态势。
然而归根到底，任何产业的竞争都是人才的竞争。近几年来，国家相继发布《国家集成电路产业发展推进纲要》《中国制造2025》《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》[3]等一系列文件及政策大力促进产业发展。建立集成电路一级学科，为
DOI：10.16661/jki.1672-3791.2110-5042-8981
基金项目：兰州资源环境职业技术大学2021年学院科技项目《产教融合下集成电路人才供给和产业需求的研究》（项目编号：Y2021A-03）。
作者简介：殷佳琪（1992—），女，硕士，助教，研究方向为集成电路技术。
潘涛（1981—），女，本科，教授，研究方向为集成电路技术。
企业培养、输送人才打基础；设立了相应产业的投资基金，用于支持集成电路全产业链的发展；同时，也重点在长三角、珠三角等地区相继进行产业布局，努力打造集成电路各子产业的高地；2019年 财政部和国家税务局联合出台相应税收减免政策扶持集成电路设计企业和软件发展，据统计2019年全国集成电路设计企业仅有1780家，截至2020年底，集成电路设计企业增至2218家。可见，当集成电路产业上升至国家战略高度时，学校、企业、政府纷纷投身于产业的发展建设中，我国集成电路产业即将面临辉煌时代。 1集成电路产业现状
集成电路按照设计的不同分为模拟、数字以及数模混合这3种设计方式，数字集成电路设计又可分成3类：逻辑器件、存储器、微处理器，而模拟集成电路设计涉及的范围比较广泛：放大器、电源管理（DC-DC、AC-DC、LDO等）、射频、锁相环等。其中，数字芯片占市场需求量的绝大部分。图1是集成电路按照设计不同的详细分类。
集成电路产业总体而言有较高的科技含量，技术壁垒高，如果从产业链条划分，可以大致分为上游芯片设计业、中游芯片制造业和芯片封测业、下游衍生应用。具体分类见图2。其中，芯片设计业主要涉及集成电路设计、版图设计、半导体器件模型开发等业务，人才门槛高，芯片制造子产业和芯片封测子产业重点需要可靠性评测、仪器设备操作、工艺技能娴熟的人才。据统计预测，到2022年前后，芯片制造与芯片封装的人才需求都将超过20万人，而我国这方面人才比较紧缺。对于集成电路设计的人才培养时间周期较长，需要10～12年，一般需要博士研究生学历层次才具备自主研发电路能力。芯
片研发到量化生产的周期较长，需要2～5年，研发自主芯片设计周期是1～3年，芯片流片一般3个月，主要通过首次流片发现芯片问题，再反复周期会延长，所以这也需要所有集成电路工作人员富有仔细、认真、负责的工作态度。1.1上游子产业
集成电路产业链的上游端是科技创新的核心，主要包括电路设计和版图设计，而电路设计又包含数字集成电路设计和模拟集成电路设计。对于整体电路设计而言，我国与世界先进水平还有一定差距，目前正处于追赶的地位。
在模拟芯片中，放大器、比较强、电源类、数据转换类为通用芯片，在通信、汽车、消费电子以及工业领域芯片为专用芯片。随着物联网以及5G技术的发展，我国通信类芯片设计崭露头角，以华为和中兴企业为首已经具备5G基带芯片成熟设计能力。2021年8月百度公司宣布昆仑AI芯片实现量产，该芯片设计周期是一年半，并且一次流片成功，芯片适用于云计算和边缘计算等多场景，未来目标也是将AI芯片应用于自动驾驶、智慧交通等多个应用场景。在便携式影像芯片领域，vivo历时24个月自主研发的影像芯片V1已经由vivo X70系列手机首发搭载，在满足高性能、低延时的同时，还可以降低50%的功耗。可见我国集成电路研发有迅猛发展的趋势，截至2020年底，我国有16家模拟芯片相关企业已经上市。值得关注的是，在集成电路设计中的EDA软件工具也是不可忽视的一部分，从软件的出现，使得一些超大规模集成电路有所依托，设计难度也随之降低，所以在某种程度上EDA软件的研发也意味着国家的创新科技能力。而放眼望去，此行业早已被国外企业垄断，Synopsys、Cadence、Mentor
已经形成三足鼎立局面，分别有不同的软件优势，我国的高校、企业多数也是用国外软件设计，每年需要支付高昂的license费用。2021年《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》提出关注集成电路设计工具的研发，目前在国内，华大九天公司仍然坚持国产EDA
软件的开发，市场占有率较低，与高端软件还有很大的差距。高性能EDA
软件需要强大的算法和对工艺的掌握，让企业和学校
放弃原有已经熟悉的开发工具也是件任重而道远的
事情。
图1集成电路设计分类
SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION
对于芯片的版图设计不需要强大的技术攻克，高职类学生经过培训与技术沉淀也可以做得很好，一般需要先熟悉工艺，从最基础小模块着手，经过3~5年时间可以画顶层模块。做芯片版图floorplan 的时候，需要考虑很多因素，如芯片面积大小、pad 位置、数字模块位置、模拟模块位置、走线通道、应力、散热等。与前端设计者沟通好确认哪些线是有电流密度要求，哪些线是比较敏感，容易受干扰，哪些线要求寄生电阻值特别小以及高速信号线的处理一般不会出现太大问题。对于数字芯片而言，是市场上需求量最大的芯片，也是我国比较薄弱的区域，在高端数字芯片的设计中一直以美国为首处于垄断地位，我国在嵌入式Flash 工艺、IP 以及知识产权等原因受制于人，这些原因使我国与外企还有些差距。在微处理器领域，我国只能着手发展中低端的产品，而且企业与企业之间竞争严重，以8位
、16位MCU 为主流，高端的32位甚至是64位MCU 在市场上我国占比几乎为零。表1是微处理器芯片市场主要品牌份额的占比。其中，新唐科技仅占比4%。但是随着便携式电子设备的发展与推动，我国的逻辑器件中移动端芯片迅猛发展，目前部分企业已经具备自主研发的能力。我国龙芯中科于2021年7月发布了自主研发CPU 芯片-3A5000，该芯片从顶层架构、指令集到ABI 标准都由团队自主研发，与上一代相比改进了制造工艺并降低了功耗，为我国自主研发CPU 开启了探索之门。随着大数据、云计算、物联网等行业的快速发展，推动着存储器也正面向低功耗、大容量、高可靠性、高速率的步伐前进，然而存储类芯片早已被日韩美企业垄断，我国市场占有率极少，还在起步
阶段。在存储器领域主流产品目前有以DRAM 和SRAM 为代表的易失性存储芯片和Nor Flash 和Nand Flash 为代表的非易失性存储芯片。以市场占有率较高的DRAM 为例，目前国外先进技术DRAM 芯片工艺制程已经发展到10nm 量产阶段，而我国只有长鑫存储虽然可以量产19nm 工艺制成的DRAM，但是良品率只有75%，国外早在2016年就已经达到19nm 工艺制成，落后约5年时间。值得一提的是，我国长鑫存储是继三星、SK 海力士和美光之后第四个可以生产20nm 以下的DRAM 的厂商。
1.2中游子产业
点沙成金的芯片制造环节是芯片实现功能的命脉，在集成电路产业链中有举足轻重的地位。集成电路制造工艺流程大致可以分为：单晶硅片制备—薄膜制备—光刻—刻蚀—离子注入—CMP—晶圆检测，
集成电路产业链的具体流程见图3，在整个芯片制造过程集中了上百道工序，每一道工序的背后都要考虑加工参数是否满足设计要求，以及工艺偏差对成品的影响。这既需要强大的资金支持，还需要突破技术壁垒研发集成电路专用设备。据国家统计局对国产集成电路产量的统计，2020年其产量为2614.7块，主要为中低端芯片。近年来，随着集成电路下游产业的发展与推进，中低端芯片以及国产芯片产量无法满足5G、物联网、大数据、人工智能等领域的需求量。2020年我国进口的集成电路总计高达5435亿块，总计金额为3500.4亿美元。根据IC Insight 统计，2020年我国集成电路市场规模为1434亿美元，而由中国大陆公司自主制造的芯片仅仅只有83亿美元，当然这一数据不包含
图2集成电路产业链
5G 人工智能 物联网 大数据 云计算
电路设计 版图设计 器件模型开发
集成电路产业链
上游 中游 下游
制造
厦门周边有什么好玩的地方单晶硅 薄膜制备 光刻 刻蚀 掺杂
封测
出国手续办理流程
晶圆减薄
晶圆划片 芯片粘接 引线键合
塑封
激光打标 电镀 切筋成形
封装前
道工序
封装前 道工序
芯片测试
部分国内设计公司自主研发芯片国外代工厂制造的情况，目前还远低于2020年国务院印发的《新时
期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》中2025年中国芯片自给率为70%的目标。由这些数据可见我国自产芯片无法满足日常芯片的需求，但是芯片制造业并非可以一蹴而就，需要专业人才以及技术积累。随着信息技术发展以及用户需求的扩大，必然导致芯片设计更加复杂，再加之芯片工艺的不断推进，制造业的技术壁垒愈来愈高，我国对于集成电路产业起步较晚，尤其是制造业的专用设备以及专用材料长期依赖进口导致我国发展高端集成电路处于弱势地位。
从基础的加工制造能力上看，台积电保持最先进的制造能力，目前正在测试的3nm工艺制程，5nm 和7nm工艺制程仅有台积电和三星半导体两家公司，10nm工艺制程有台积电、三星半导体、英特尔三家公司[4]可以实现商业化，我国大陆最先进的芯片工艺制程是中芯国际的14nm工艺，良品率高达95%，上海华虹2021年刚刚达到14nm量产的水平。
集成电路的封装测试环节最接近下游的衍生应用，直接影响产品的质量，这一环节是唯一与世界先进水平差距较小的环节，也是我国最早发展集成电路产业的环节。从前10名封测厂营收排名上看，中国大陆企业有3家，分别是长电科技、通富微电、华天科技[5]，2020年营收规模市占率分别为：11.96%、5.05%、3.93%。当前，中国封测业以中低端的传统封装技术为主，随着集成电路下游产业的发展与推动，对于芯片的封测要求也逐步迎合现代电路小型化、复杂化和集成
化，目前高端封装技术有SOC（系统级单芯片封装）、FC （倒装焊封装）、TSV（晶圆级系统封装-
硅通孔）、3D（三维立体封装）等。根据我国半导体行业2020年我国IC 封装市场规模为2478亿元，而IC先进封装市场规模仅为328亿元，占比13.26%，我国还需在先进封装领域加强技术革新。
2集成电路危机与挑战
在中国近年来大力发展集成电路产业的推进下，中低端产品基本实现国产化，但是对于生产高端产品，我国目前还在起步探索阶段阶段，尤其是制备环节，集成电路专用材料、专用设备受制于人，在制备高端芯片的过程中，需要上百道工序，而其中的材料、设备是制约芯片良品的关键因素，这些因素导致开发高端产品难度提升。在2017年印发的《“十三五”先进制造技术领域科技创新专项规划》（后文简称“十三五”规划）中明确指出要重点研发12英寸硅片、深紫外光刻胶、抛光材料以及溅射靶材。
2.1专用材料
2.1.1大尺寸硅片的生产
硅片是制备芯片的核心材料之一，但是由于我国发展集成电路产业较晚，高纯度、大尺寸硅片的制备仍然是我国的短板。大尺寸硅片面积更大，可以降低成本，并且边缘芯片少，利用率更高，所以目前市场的主流硅片尺寸是12英寸，全球12英寸硅片的制备占比所有硅片制备已经达到65%，而我国在2017年以前对
12英寸硅片制备是完全空白，至今有多家厂商可以制备
12英寸硅片，但是国产化率较低，对于12英寸硅片大
多数还依赖于进口，8英寸硅片可以自主生产，基本满图3集成电路产业链流程图
足国内需求[6]。6英寸以下硅片，其对应的中断产品也是面向中低端。而12英寸硅片面向的终端产品是智能手机、平板、服务器一些高端领域，根据SUMCO统计，单个5G手机硅片面积的需求量要比单个4G手机硅片面积需求量高70%，所以研发大尺寸硅片并实现量产是刻不容缓的。
恭王府2.1.2光刻胶国产化的推进
光刻胶是影响光刻效果的重要半导体核心化学材料，经过一系列光刻工艺将掩模版图形转移到基片上。光刻胶的应用场景主要是半导体芯片制备、PCB和LCD上，国产的光刻胶目前大多数走中低端路线，只能满足应用在PCB上，而对于半导体芯片制备的高端方面国产化率仅为1%，严重依赖进口。高端光刻胶基本被日企垄断。2019年日本对韩限制出口高端光刻胶，使韩国严重被“卡脖子”，尤其现在处于政治敏感期，我国也居安思危着力研发高端光刻胶。但是研发高端光刻胶主要是受知识产权影响和高端设备的限制，研发高端光刻胶首先要有匹配的高端光刻机，其次是原材料、配方壁垒，种种因素导致高端光刻胶市场比例不高。KrF、ArF、EUV光刻机属于高端产品，不同等级的光刻机还需要不同分辨率的光刻胶与之协调工作。目前，着重于光刻胶研发有苏州瑞红、北京科华、南大光电，苏州瑞红研发的KrF光刻胶基本达到技术要求并得到产品认证，ArF光刻胶正在研制；北京科华KrF光刻胶
已经量产，干式ArF光刻胶已经通过产品认证；南大光电的干式ArF光刻胶也通过产品认证。目前，我国对于最高端的EUV光刻胶还没有研制。
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2.1.3CMP工艺耗材
CPM是一种纳米级别的全局平坦化加工技术，在集成电路的制造环节需要多次应用，随着工艺的进步，器件特征尺寸的减小，集成电路制备的工序也会更加烦琐，例如：7nm的数字芯片制造过程中所需抛光次数达到30多次，可见CMP耗材使用是随着工艺进步而增加。其对应的耗材主要有抛光垫和抛光液，而我国使用的抛光垫全部依赖进口，为避免被“卡脖子”，我国自主研发CMP工艺耗材有重大意义。
2.2专用设备
在集成电路上百道制造工艺中，集成电路制备的设备显得尤为重要，尤其自产业发展以来一直遵循“一代设备、一代工艺、一代产品”[7]，所以设备、工艺、产品之间的关系是密不可分的，随着摩尔定律所逼近的极限，研发高端集成电路的专用设备就成了炙手可热的事情。目前，我国对清洗刻蚀设备、热处理、PVD、CVD、CMP设备都可以实现国产化，但是对于高端光刻机却严重依赖于进口。尤其ASML公司几乎垄断高端EUV光刻机，EUV光刻机是生产7nm以下芯片的必备设备，而美国向ASML公司提供制备EUV光刻机的光源和计量设备，所以美国对ASML公司销售占有一定话语权，受美国影响A
SML公司不能对我国企业销售EUV光刻机，这严重影响着我国制备高端芯片进程。但是我国对DUV光刻机并未受到限制，中芯国际利用DUV光刻机已经研制出14nm工艺制程，对我国半导体制备行业有很大帮助。我国的制备光刻机的先进企业是上海微电子，可以制备28nm光刻机，离最先进的5nm工艺制程还有很大差距。
3产业发展建议
依托先进制造产业的背景，以培养高素质的研究型、技能型人才为根本出发点，以“校企共建”为建设模式，打造以集成电路产业为主体、集成电路教育和电子信息教育为两翼的“一体两翼”格局，从IC电路设计、芯片制造、芯片封装到成品测试，通过行业企业和学校结合，实现合作育人的目标。在甘肃省集成电路人才需求分析的基础上，从适应集成电路产业发展出发，根据企业的岗位需求调整课程设置，重构课程模块，改进教学方法，创造和企业真实情况相结合的实践环境。以该省集成电路企业为核心，辐射周围集成电路企业，建立长期的合作机制。一方面，企业导师进校亲临指导知识实践；另一方面，建立长期有效的实践技能合作，使学生在学习知识的同时通过长短期企业实习进行实践技能的练习，进一步感受集成电路实践应用，提高知识技能；同时，多角度、多方位、全面地进行师资培训，更新教师的教学理念和教学方式，更新集成电路产业先进的知识，使教师能及时将先进的知识传授给学生。与企业专家一起对集成电路课程体系重构，选择合适的产线产品案例，分解重构形成教学案例，定制和开发适合学生职业发展的实践模块，形成理实一体的教学资源库。在保证课程体系的针
对性和整体性的前提下，形成特教材。
表1微处理器芯片市场主要品牌份额的占比
瑞萨电子17%飞思卡尔
14%
意法半导体
8%
微芯科技
8%
东芝
7%
浙江队对广东队英飞凌
厦门鼓浪屿门票怎么预约购买7%
三星
6%
Atmel
5%
新唐科技
4%
其他
24%
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