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中国半导体产业差距到底在哪?不止光刻机还有这十大半导体核心技术

作者: 编辑: 来源: 发布日期: 2018.10.10
信息摘要:
中国半导体产业差距到底在哪?不止光刻机还有这十大半导体核心技术

半导体对于我们的重要性不言而喻,它涉及方方面面,通讯、计算机、消费电子、汽车、工控、照明、医疗等行业分分钟离不开它。近年来,随着全球AI、物联网、云计算等发展,半导体行业迎来了更大的爆发,据相关数据统计,2017年全球整体半导体市场规模达4,203.93亿美元,较20163,458.51亿美元,大幅成长21.6%

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半导体行业是典型的金字塔结构,越上游的企业越少,产值越大,技术难度越高。由于起步晚、核心技术缺少,我国半导体发展受限,尤其是核心技术方面,仍有尚未掌握的关键技术,到目前为止,关键芯片领域依赖于进口仍是现状。正因如此,我国将半导体列为国家重点规划产业,并在资金、人才、技术上下苦功,力争突破瓶颈,振兴国产半导体产业。

这些半导体核心技术仍待突破

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1、顶尖光刻机

作为集成电路产业的核心装备,光刻机被称为人类最精密复杂的机器。据OFweek电子工程网编辑了解,当前全球能制造高端光刻机的只有荷兰的ASML、日本的尼康和佳能三大企业,它们市场份额超过八成。

光刻机又名掩模对准曝光机,曝光系统,光刻系统,它是芯片制造核心中的核心,光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤,耗时长、成本高。半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上,这一过程通过光刻来实现,光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。

高端光刻机堪称现代光学工业之花,其制造难度非常大,现在其最先进的EUV(极紫外光)光刻机已经能够制造7nm以下制程的芯片了,单台光刻机的售价已经超过了一亿美元,中国完全自主生产的光刻机只有可怜的90nm制程,差了一大截。光刻机的研制到底难在哪?并非光刻机技术原理难懂,而是光刻机的制造工艺复杂。一台先进的光刻机有5万多个零件,设计生产不容易,难点是里面的每一步都要求最先进的工艺和零件。

2、触觉传感器

传感器被称为工业的艺术品,它与计算机、通信被称为信息系统的三大支柱,传感器技术优劣是衡量一个国家科技水平和是否处在国际战略竞争制高点的重要标志,是发达国家高度重视和争相发展的核心基础技术。触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。按功能可分为接触觉传感器、力-力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。

我国触觉触感器发展缓慢的原因之一是工艺不过关,精确、稳定的严苛要求拦住了我国大部分企业向触觉传感器迈进的步伐。除了生产工艺,材料纯度也是从实验室到工业生产的扼咽之处。导电橡胶、导电塑料、碳纳米管、石墨烯等都是可用作触觉传感器的材料。目前,国内石墨烯的生产还可以,但用石墨烯制作传感器的技术还不成熟。由于国内触觉传感器起步晚,专利问题是绕不过了!在技术追赶过程中,后来者必须绕过先行者的相关专利保护,除非找到明显更优解,否则很可能会因为绕过专利而提高技术达成的门槛,这些对于触觉触感器的国产化而言都是难关。

未来,触觉传感器将朝向更加柔性化、小型化、智能化、人性化方向发展,触觉传感器的适用范围将大大拓宽,在人机交互系统、智能机器人、移动医疗等领域具有巨大的应用前景。

3DSP芯片

DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP指令,可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。

DSP芯片自诞生以来得到了飞速发展,一方面得益于集成电路的发展,另一方面也得益于巨大的市场。在短短二十年时间里,DSP芯片已在信号处理、通信、雷达、图像、军事、仪器、自动化等众多领域得到广泛的应用。

目前,全球DSP芯片市场仍是巨头垄断,德州仪器、ADI、飞思卡尔、Motorola公司等都是这个行业的佼佼者。国产DSP芯片起步晚, 2006年中电十四所与龙芯公司合作开发国产DSP芯片。2012年它们研发的华睿1性能优于飞思卡尔公司的MPC8640D2017年,国产DSP芯片华睿二号走向市场。

CPU是一块超大规模的集成电路,是一台计算机的运算核心(Core)和控制核心( Control Unit)。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。中央处理器主要包括运算器(算术逻辑运算单元,ALUArithmetic Logic Unit)和高速缓冲存储器(Cache)及实现它们之间联系的数据(Data)、控制及状态的总线(Bus)。它与内部存储器(Memory)和输入/输出(I/O)设备合称为电子计算机三大核心部件。CPU依靠指令来自计算和控制系统,每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标,指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。

美国的英特尔、超威半导体公司,在CPU领域占据一半以上的市场。国产CPU的应用领域既涵盖了嵌入式设备、服务器设备等专业领域,也同时面对消费级民用市场。由于服务对象和应用领域的巨大分歧,不同类型的国产CPU在国人心中存在感相去甚远,如专门针对服务器的飞腾、申威等,知名度不高。

CPU发展迅速,算力和功耗是衡量其性能的重要指标。作为后来者,中国的研制水平总是离世界先进水准差一截,如龙芯的性能似乎总跟着英特尔后面跑,龙芯是中国科学院计算所自主研发的通用CPU,采用RISC指令集,类似于MIPS指令集。好消息是,2015年,中国发射首枚使用龙芯北斗卫星。

又称显示核心、视觉处理器、显示芯片,是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上图像运算工作的微处理器。用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动,并向显示器提供行扫描信号,控制显示器的正确显示,是连接显示器和个人电脑主板的重要元件,也是人机对话的重要设备之一。

提到GPU,最先想到的是英伟达,它占据全球GPU市场一半以上的市场份额,AMDGPU也占有一席之地。中国的GPU企业尚未形成巨大规模,相关技术也在积极研制之中,目前国内在研究GPU的企业有上海兆芯、华为、图芯、天数智芯,华夏芯、芯视图、中船重工709所、中航631所等。据OFweek电子工程网编辑获悉,中国船舶重工集团公司研究的完全具备自主知识产权的凌久GP101,刷新了我国在国产显卡领域的空白,凌久GP101是一款高性能低功耗的,图形处理芯片,要和欧美等先进厂商相比,还有很大的距离,它要达到世界领先水平,还有漫长的路要走。

6MPU

MPU又叫微处理器或内存保护单元。MPU是单一的一颗芯片,而芯片组则由一组芯片所构成,早期甚至多达78颗,但目前大多合并成2颗,一般称作北桥(North Bridge)芯片和南桥(South Bridge)芯片。MPU是计算机的计算、判断或控制中心,有人称它为计算机的心脏

英特尔、高通、三星、飞思卡尔、联发科及展讯等供应商是这个市场的领导者。国产的MPU市场占有率非常小,几乎为零,华大、华为、紫光国芯等企业在加大研发相关技术。

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7DRAM / NAND Flash

即动态随机存取存储器,最为常见的系统内存。DRAM 只能将数据保持很短的时间。为了保持数据,DRAM使用电容存储,所以必须隔一段时间刷新(refresh)一次,如果存储单元没有被刷新,存储的信息就会丢失。 英特尔、德州仪器、IBM、韩国三星和海力士占据绝对垄断地位,在DRAM市场呼风唤雨。

长江存储、合肥长鑫、福建晋华是中国存储领域的三大新势力,2019年会是中国存储产业的关键年,届时有福建晋华、合肥睿力的 DRAM 技术量产,更有长江存储转进 64 3D NAND 的研发和生产。未来两年将有可能左右未来十年中国存储产业的命运。

DRAM是这十大待突破的半导体核心技术中,最有可能大规模国产化的一项技术,值得期待。

8CPLD / FPGA

CPLD是从PALGAL器件发展出来的器件,相对而言规模大,结构复杂,属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台,用原理图、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,通过下载电缆(在系统编程)将代码传送到目标芯片中,实现设计的数字系统。

FPGA即现场可编程门阵列,它是在PALGALCPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

进入FPGA这个行业的门槛很高。过去十多年时间里,IntelIBM、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星等60多家公司曾试图涉足该领域,除Intel167亿美元收购阿尔特拉成功进军该领域之外,其余公司纷纷折戟沉沙。目前的FPGA市场, Xilinx(赛灵思)和Altera(阿尔特拉)两家公司占据了90%的市场份额。

除了市场份额低之外,国内厂商在技术水平上和国外大厂的差距很大。虽然国内FPGA厂商有百家争鸣之势,但基本分布在中低端市场,大多是一些1000万门级左右的FPGA,少数达到2000万门级的FPGA虽然也有自主研发的。中国电科的3500万门级FPGA和中国电子7000万门级FPGA,是一次重大技术突破。

9、高端伺服电机

伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制,并能快速反应,在自动控制系统中,用作执行元件,且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

德国企业是伺服电机的领航者,伦茨、博世力士乐、路斯特、倍福等全球知名企业众多,市场份额巨大。国产伺服电机目前的现状是未形成巨头级企业。小功率、小型化伺服电机居多,高端伺服电机较少。在一些高档的应用上,尤其是在轻载6kg左右的桌面型机器人上,高端的国产化产品稀少。

10、超高射频芯片

射频芯片指的就是将无线电信号通信转换成一定的无线电信号波形, 并通过天线谐振发送出去的一个电子元器件。射频芯片架构包括接收通道和发射通道两大部分。对于现有的 GSMTD-SCDMA模式而言,终端增加支持一个频段,则其射频芯片相应地增加一条接收通道,但是否需要新增一条发射通道则视新增频段与原有频段间隔关系而定。

中国是世界最大的手机生产国,但造不了高端的手机射频器件,这需要材料、工艺和设计经验的踏实积累。国内从事中低端射频芯片的企业众多,也占据了相当一部分市场,但在高端射频芯片领域,仍有较大上升空间。

综述:中国拥有全球最大的半导体消费市场,因核心技术缺少,中国对美国的半导体进口额超过1000亿美元,排名世界第一。中国是芯片的消耗和进口大国,2017年集成电路进口金额2601亿美元,金额位列中国进口商品之冠。

“国产化是未来的一大趋势,这些国内未解决的半导体核心技术均是世界级难题,其难度不亚于造航空母舰。对于企业和技术人员来说,沉下心去做事方能寻求突破和发展,切勿急于求成,被市场蒙蔽了双眼,得不偿失。

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