半導(dǎo)體對于我們的重要性不言而喻，它涉及方方面面，通訊、計算機、消費電子、汽車、工控、照明、醫(yī)療等行業(yè)分分鐘離不開它。近年來，隨著全球AI、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等發(fā)展，半導(dǎo)體行業(yè)迎來了更大的爆發(fā)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2017年全球整體半導(dǎo)體市場規(guī)模達4,203.93億美元，較2016年3,458.51億美元，大幅成長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)域依賴于進口仍是現(xiàn)狀。正因如此，我國將半導(dǎo)體列為國家重點規(guī)劃產(chǎn)業(yè)，并在資金、人才、技術(shù)上下苦功，力爭突破瓶頸，振興國產(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
作為集成電路產(chǎn)業(yè)的核心裝備，光刻機被稱為“人類最精密復(fù)雜的機器”。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的只有荷蘭的ASML、日本的尼康和佳能三大企業(yè)，它們市場份額超過八成。
光刻機又名掩模對準曝光機，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，耗時長、成本高。半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點和關(guān)鍵點在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過程通過光刻來實現(xiàn)，光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。
高端光刻機堪稱現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花，其制造難度非常大，現(xiàn)在其最先進的EUV（極紫外光）光刻機已經(jīng)能夠制造7nm以下制程的芯片了，單臺光刻機的售價已經(jīng)超過了一億美元，中國完全自主生產(chǎn)的光刻機只有可憐的90nm制程，差了一大截。光刻機的研制到底難在哪？并非光刻機技術(shù)原理難懂，而是光刻機的制造工藝復(fù)雜。一臺先進的光刻機有5萬多個零件，設(shè)計生產(chǎn)不容易，難點是里面的每一步都要求最先進的工藝和零件。
2、觸覺傳感器
傳感器被稱為工業(yè)的藝術(shù)品，它與計算機、通信被稱為信息系統(tǒng)的三大支柱，傳感器技術(shù)優(yōu)劣是衡量一個國家科技水平和是否處在國際戰(zhàn)略競爭制高點的重要標志，是發(fā)達國家高度重視和爭相發(fā)展的核心基礎(chǔ)技術(shù)。觸覺傳感器是用于機器人中模仿觸覺功能的傳感器。按功能可分為接觸覺傳感器、力－力矩覺傳感器、壓覺傳感器和滑覺傳感器等。
我國觸覺觸感器發(fā)展緩慢的原因之一是工藝不過關(guān)，精確、穩(wěn)定的嚴苛要求攔住了我國大部分企業(yè)向觸覺傳感器邁進的步伐。除了生產(chǎn)工藝，材料純度也是從實驗室到工業(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傳感器的材料。目前，國內(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。由于國內(nèi)觸覺傳感器起步晚，專利問題是繞不過了！在技術(shù)追趕過程中，后來者必須繞過先行者的相關(guān)專利保護，除非找到明顯更優(yōu)解，否則很可能會因為繞過專利而提高技術(shù)達成的門檻，這些對于觸覺觸感器的國產(chǎn)化而言都是難關(guān)。
未來，觸覺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，觸覺傳感器的適用范圍將大大拓寬，在人機交互系統(tǒng)、智能機器人、移動醫(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)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。
DSP芯片自誕生以來得到了飛速發(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。在短短二十年時間里，DSP芯片已在信號處理、通信、雷達、圖像、軍事、儀器、自動化等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
目前，全球DSP芯片市場仍是巨頭壟斷，德州儀器、ADI、飛思卡爾、Motorola公司等都是這個行業(yè)的佼佼者。國產(chǎn)DSP芯片起步晚， 2006年中電十四所與龍芯公司合作開發(fā)國產(chǎn)DSP芯片。2012年它們研發(fā)的 “華睿1號”性能優(yōu)于飛思卡爾公司的MPC8640D，2017年，國產(chǎn)DSP芯片“華睿二號”走向市場。
4、CPU
CPU是一塊超大規(guī)模的集成電路，是一臺計算機的運算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。中央處理器主要包括運算器（算術(shù)邏輯運算單元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速緩沖存儲器（Cache）及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)（Data）、控制及狀態(tài)的總線（Bus）。它與內(nèi)部存儲器（Memory）和輸入/輸出（I/O）設(shè)備合稱為電子計算機三大核心部件。CPU依靠指令來自計算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設(shè)計時就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。指令的強弱也是CPU的重要指標，指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。
美國的英特爾、超威半導(dǎo)體公司，在CPU領(lǐng)域占據(jù)一半以上的市場。國產(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)備等專業(yè)領(lǐng)域，也同時面對消費級民用市場。由于服務(wù)對象和應(yīng)用領(lǐng)域的巨大分歧，不同類型的國產(chǎn)CPU在國人心中存在感相去甚遠，如專門針對服務(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。作為后來者，中國的研制水平總是離世界先進水準差一截，如龍芯的性能似乎總跟著英特爾后面跑，龍芯是中國科學(xué)院計算所自主研發(fā)的通用CPU，采用RISC指令集，類似于MIPS指令集。好消息是，2015年，中國發(fā)射首枚使用“龍芯”北斗衛(wèi)星。
5、GPU
又稱顯示核心、視覺處理器、顯示芯片，是一種專門在個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設(shè)備（如平板電腦、智能手機等）上圖像運算工作的微處理器。用途是將計算機系統(tǒng)所需要的顯示信息進行轉(zhuǎn)換驅(qū)動，并向顯示器提供行掃描信號，控制顯示器的正確顯示，是連接顯示器和個人電腦主板的重要元件，也是“人機對話”的重要設(shè)備之一。
6、MPU
MPU又叫微處理器或內(nèi)存保護單元。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7、8顆，但目前大多合并成2顆，一般稱作北橋（North Bridge）芯片和南橋（South Bridge)芯片。MPU是計算機的計算、判斷或控制中心，有人稱它為”計算機的心臟”。
英特爾、高通、三星、飛思卡爾、聯(lián)發(fā)科及展訊等供應(yīng)商是這個市場的領(lǐng)導(dǎo)者。國產(chǎn)的MPU市場占有率非常小，幾乎為零，華大、華為、紫光國芯等企業(yè)在加大研發(fā)相關(guān)技術(shù)。
7、DRAM/NAND Flash
即動態(tài)隨機存取存儲器，最為常見的系統(tǒng)內(nèi)存。DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時間。為了保持數(shù)據(jù)，DRAM使用電容存儲，所以必須隔一段時間刷新（refresh）一次，如果存儲單元沒有被刷新，存儲的信息就會丟失。 英特爾、德州儀器、IBM、韓國三星和海力士占據(jù)絕對壟斷地位，在DRAM市場呼風(fēng)喚雨。
長江存儲、合肥長鑫、福建晉華是中國存儲領(lǐng)域的三大新勢力，2019年會是中國存儲產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵年，屆時有福建晉華、合肥睿力的 DRAM 技術(shù)量產(chǎn)，更有長江存儲轉(zhuǎn)進 64 層 3D NAND 的研發(fā)和生產(chǎn)。未來兩年將有可能左右未來十年中國存儲產(chǎn)業(yè)的命運。
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)模國產(chǎn)化的一項技術(shù)，值得期待。
8、CPLD/FPGA
CPLD是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(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)計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標芯片中，實現(xiàn)設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)。
FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（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電路數(shù)有限的缺點。
進入FPGA這個行業(yè)的門檻很高。過去十多年時間里，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167億美元收購阿爾特拉成功進軍該領(lǐng)域之外，其余公司紛紛折戟沉沙。目前的FPGA市場， Xilinx（賽靈思）和Altera（阿爾特拉）兩家公司占據(jù)了90%的市場份額。
除了市場份額低之外，國內(nèi)廠商在技術(shù)水平上和國外大廠的差距很大。雖然國內(nèi)FPGA廠商有百家爭鳴之勢，但基本分布在中低端市場，大多是一些1000萬門級左右的FPGA，少數(shù)達到2000萬門級的FPGA雖然也有自主研發(fā)的。中國電科的3500萬門級FPGA和中國電子7000萬門級FPGA，是一次重大技術(shù)突破。
9、高端伺服電機
伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。
德國企業(yè)是伺服電機的領(lǐng)航者，倫茨、博世力士樂、路斯特、倍福等全球知名企業(yè)眾多，市場份額巨大。國產(chǎn)伺服電機目前的現(xiàn)狀是未形成巨頭級企業(yè)。小功率、小型化伺服電機居多，高端伺服電機較少。在一些高檔的應(yīng)用上，尤其是在輕載6kg左右的桌面型機器人上，高端的國產(chǎn)化產(chǎn)品稀少。
10、超高射頻芯片
射頻芯片指的就是將無線電信號通信轉(zhuǎn)換成一定的無線電信號波形， 并通過天線諧振發(fā)送出去的一個電子元器件。射頻芯片架構(gòu)包括接收通道和發(fā)射通道兩大部分。對于現(xiàn)有的GSM和TD-SCDMA模式而言，終端增加支持一個頻段，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。
中國是世界最大的手機生產(chǎn)國，但造不了高端的手機射頻器件，這需要材料、工藝和設(shè)計經(jīng)驗的踏實積累。國內(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，但在高端射頻芯片領(lǐng)域，仍有較大上升空間。
綜述：中國擁有全球最大的半導(dǎo)體消費市場，因核心技術(shù)缺少，中國對美國的半導(dǎo)體進口額超過1000億美元，排名世界第一。中國是芯片的消耗和進口大國，2017年集成電路進口金額2601億美元，金額位列中國進口商品之冠。
“國產(chǎn)化”是未來的一大趨勢，這些國內(nèi)未解決的半導(dǎo)體核心技術(shù)均是世界級難題，其難度不亞于造“航空母艦”。對于企業(yè)和技術(shù)人員來說，沉下心去做事方能尋求突破和發(fā)展，切勿急于求成，被市場蒙蔽了雙眼，得不償失。
提到GPU，最先想到的是英偉達，它占據(jù)全球GPU市場一半以上的市場份額，AMD的GPU也占有一席之地。中國的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，中國船舶重工集團公司研究的完全具備自主知識產(chǎn)權(quán)的凌久GP101，刷新了我國在國產(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，要和歐美等先進廠商相比，還有很大的距離，它要達到世界領(lǐng)先水平，還有漫長的路要走。
來源：電子工程網(wǎng)