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国产芯片如何突围?

发布时间: 2022/10/25 8:51:51 | 94 次阅读

由于一些众所周知的原因,国产半导体的前行之路正迎来艰难的爬坡阶段。随着先进工艺的使用愈发困难,但是市场各应用场景却对芯片的算力和性能等要求丝毫不减的背景下。那么,撇开先进工艺,国内还能从哪些技术方向进行突围呢?


处于后摩尔时代,发展节奏开始慢下来,芯片系统性能的提升不再依靠单纯的晶体管微缩来实现。广阔而又碎片化的市场,给国内各企业孕育了施展拳脚的“温床”。这不仅给我国的追赶者一个发展机会,同时也是各家企业探索对设备和工艺条件不太苛刻的新技术、新路径,各显神通的时代。

进入人工智能时代,算力和运算数据量每年都在指数级增加,然而摩尔定律已经接近于到极限,每代芯片只有10-20%的性能提升。再加上冯诺依曼架构的算力已经被内存墙所限制,只有解决内存墙问题才能进一步提高算力。在各种解决方案中,存内计算是直接也是高效的。


存算一体技术(PIM :Processing in-memory)被视为人工智能创新的。它将存储和计算有机结合,直接利用存储单元进行计算,极大地消除了数据搬移带来的开销,解决了传统芯片在运行人工智能算法上的“存储墙”与“功耗墙”问题,可以数十倍甚至百倍地提高人工智能运算效率,降低成本。


除此之外,由于存算一体具有大算力、低功耗的优势,因此对先进工艺制程属于弱依赖,是一种能够突破先进工艺对性能限制的路径,可以用成熟制程做出先进制程的效果来。算力和工艺有一定相关性,但不强,更多的是看其产品的定位,在性能、功耗和成本三者之间追求相对的平衡。目前市面上基于存算一体的存储介质主要有三种:Flash、SRAM、ReRAM等。其中Flash介质所采用的工艺节点在40nm左右;SRAM和ReRAM在28nm工艺就可以实现很好的性能优势。


现在存算一体技术已经开始从低功耗场景逐渐向有着更大算力需求的智能驾驶市场奋进。在智能时代里,从可穿戴到自动驾驶,功耗约束下场景里的计算效率都是永恒的主题,存内计算是解放算力提升能效比强有力的武器之一。


封装也是一大抓手,More than Moore是中国集成电路的新机遇,掌握先进的系统级封装技术是实现技术超越的良机。自80年代中期,封装已经成为我国半导体供应链中的关键环节。而现在SiP这样的先进封装已经成为中国半导体行业的技术重点。SiP被业界认为是延续摩尔定律的必然选择路径。上文所述的Chiplet也依赖于SiP和2.5D/3D这样的先进封装技术。


SiP(System in Package)将具有不同功能的主动元件和被动元件,以及诸如微机电系统(MEMS)、光学(Optic)元件、处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内,成为可提供多种功能的单颗标准封装元件,形成一个功能齐全的子系统。


SiP可以利用异质集成解决不同芯片工艺的兼容问题。此外,SiP还在壁垒,开发成本、研发周期方面具有优势。在后端环节,SiP相对于传统的PCBA也具有很多优点,如减小尺寸、增强性能、延长产品生命周期,降低后端应用企业的设计难度以及供应链管理成本,提高产品可靠性等。SiP从终端电子产品角度出发,不再一味关注芯片本身的性能和功耗,而是转向更加务实的满足市场需求。


SiP方案已经开始从耳机这样的小型可穿戴市场逐渐向家电和汽车等市场蔓延,例如SiP可用于汽车微处理器、存储器、输入输出接口、模数转换器等大规模集成电路及合成发动机控制单元。另外,汽车防抱死系统、燃油喷射控制系统、安全气囊电子系统、方向盘控制系统、轮胎低气压报警系统等采用SiP的形式也在不断增多。


根据Yole预测,2025年先进封装的占比将提升至整体封测行业的49.4%,其中SiP封装被市场看好,在2020年到2026年年间,基于覆晶(FC)和打线接合(WB)的SiP市场将以5%的CAGR成长至170 亿美元的规模。同期,嵌入式芯片(Embedded Die,ED) SiP市场则将以25%的CAGR 增加到1.89亿美元;扇出型(FO) SiP市场价值预计以6%的CAGR20-26成长至16亿美元。


但SiP的发展需要不同领域来互相配合,包括IC基板、封装技术、模组设计与系统整合能力等。当下,从国内半导体产业结构来看,各领域分布广泛且逐渐完整,已经具有上中下游合作的基础条件。这对于从业者来说,是很好的发展机会。



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