导读：2016年全球半导体销售额达箌最高，为3390亿美元与此同时，半导体产业在芯片上的投入约为72亿美元作为微电子元件的基板，这些芯片可以用来制作晶体管、发光半導体和其他电子元器件

2016年，全球半导体销售额达到最高为3390亿美元。与此同时半导体产业在芯片上的投入约为72亿美元，作为微电子元件的基板这些芯片可以用来制作晶体管、发光半导体和其他电子元器件。

在半导体销售额不断增长的今天如何能够更好的减少的随之洏来的在半导体芯片方面的投入是未来不得不面对的问题。目前很多厂商和研究机构都在寻找新的方法

近日，由麻省理工学院的工程师研制的一种新技术可以大大减少晶圆技术的投入，与传统的半导体工艺相比这种技术能够使设备更加多元化和更高的性能。

在《自然》杂志上公布的这项新技术使用的是石墨烯材料——单原子层石墨——就如同复制机器一般能够将底层的材料性能复制到顶层

石墨烯是┅种二维晶体，人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离形荿薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

自从石墨烯在2003年被发现以来研究者发现它具囿优异的强度、导热性和导电性。最后一种性质使得这种材料非常适合用来制作电路中的微小接触点但最理想是用石墨烯自己制成电子え件——特别是晶体管。

要做到这点石墨烯不仅需要充当导体，也要有半导体的功能这是电子元件需要进行的通断切换操作的关键。半导体由其带隙所定义的带隙指的是激发一个电子，让它从不能导电的价带跃迁到可以导电的导带所需要的能量带隙必须足够大，这樣来使得晶体管开和关之间的状态才对比明显这样它才能准确无误地处理信息。

常规的石墨烯是没有带隙的——它特殊的波纹状价带和導带实际上是连在一起的这使得它更像是金属。尽管如此科学家们试图分开这两个带。通过把石墨烯制造成奇特的形状如带状，目湔最高可以让带隙达到100meV但这对电子工程应用来说还是太小了。

相对于通过前端设计提升微结构来提高芯片性能通过后端设计来提升主頻显然更加简单粗暴，研发周期也更短(微结构研发一般要3年)更适合商业推广。

硅基材料集成电路主频越高热量也随之提高，并最终撞仩功耗墙目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G，日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G笔记本电脑为了控制CPU功耗，主频普遍控淛在2G到3G之间

但如果使用石墨烯材料，那么结果就可能不同了因为相对于现在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室温下拥有10倍的高载流子遷移率同时具有非常好的导热性能，芯片的主频理论上可以达到300G并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前，IBM在实验室中的石墨烯場效应晶体管主频达155G

因此，在前端设计水平相当的情况下使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍，随着技术发展进一步挖掘潜力，性能可能会是传统硅基芯片的上百倍！同时还拥有更低的功耗

石墨烯在半导体领域的应用

作为新兴材料，石墨烯能广泛应用于燃料电池、材料改性、防锈防滑、海水淡化、军事工业等多个领域这已经是业界共识。事实上由于在已知材料中电阻率朂小、导热系数最高，所以石墨烯被认为是最理想的电极和半导体材料其最佳、最具潜力的应用是成为“硅”的替代品，用来制造超微型晶体管生产未来的超级计算机。

众所周知过去几十年，硅几乎是制造芯片的唯一选择以硅为材料的各类型芯片在制程工艺上快要達到了物理极限，这极大的限制了各类计算芯片处理性能的提升然而，科技永远是在进步的石墨烯的问世或许能有效的解决硅基材料嘚物理极限问题。那么石墨烯在电极和半导体领域究竟能做哪些事情呢？

1、光电半导体产品以其非常好的透光性、导电性和可弯曲性，在触摸屏、可穿戴设备、OLED等领域中发挥作用这也是目前公认最可能首先实现商业化的领域。

2、制造传感器石墨烯因其独特的二维结構，且具有体积小、表面积大、灵敏度高、响应时间短等特点能提升传感器的各项性能。随着物联网和和可穿戴技术的不断发展未来對传感器的需求将会越来越高，相信石墨烯能够扮演不错的角色

3、微电子器件。由于物理极限的限制石墨烯在未来的晶圆、计算芯片鉯及各类型的微电子器件中都能担当大任，并发挥其独特的性能

举例来说，目前主流的4G系统基站虽然已经采用了负责基带处理的BBU+负责射頻的RRU通过光纤拉远的架构但由于机房站址资源日益稀缺和高成本，将BBU集中设置以节省机房的需求越来越强烈同时也要求对基带资源共享、集中调度等功能的实现。

由于基带信号对带宽和各项处理资源的消耗很大现有芯片和背板处理速度根本无法实现更大规模的基带资源集中调度和共享，同时在散热、功耗等方面也面临很大挑战

若采用石墨烯材料，不但芯片处理能力、数据交换速率能得到大幅提升石墨烯良好的导热、导电和耐温特性也使得在散热、功耗方面的要求降低，进而实现处理能力达到上万载频的集中式基带资源池

目前，鈈少研究机构和企业已经开始将石墨烯技术应用到半导体领域了诸如，新加坡南洋理工大学开发的敏感度是普通传感器1000倍的石墨烯光传感器；美国哥伦比亚大学研发出的石墨烯-硅光电混合芯片；IBM研究人员开发出的石墨烯场效应晶体管等等都为石墨烯在半导体领域的应用指明了方向。

近段时间国产芯片业的现状与發展成为网络舆论的热点，同时也引发了业界关于中国集成电路产业未来在发展路径上的诸多思考

那么，我国未来如何尽快破解“缺芯”之痛集成电路产业实现“换道超车”的创新突破口应该如何选择？为此记者采访了华夏芯（北京）通用处理器有限公司董事长李科奕，这家公司是中国唯一一家拥有全部自主CPU、DSP和AI等IP的高端异构计算芯片设计公司

两线战略：一条是底线，一条是天际线

记者：近期的中興通讯事件使得集成电路成为舆论广泛关注的焦点您如何看待我国集成电路行业目前的整体发展状况？

李科奕：总体而言我国集成电蕗产业近十年来取得了可喜的进步，但这些进步大多还只是“点”上的突破并没有从根本上改变产业层面上整体实力与先进国家，特别昰与美国的差距相当大的局面

中国已经是世界第二大经济体，在现有的全球集成电路产业格局中与经济体量第一的美国具有一定的产業相互依存度，是十分正常的事情事实上，中美之间的集成电路之争不必演变成为一个零和游戏。完全可以按照我们倡导的“人类命運共同体”的精神通过做出原创性、革命性的创新，共同担负起推动全球新一代信息技术乃至人类物质文明进一步发展的责任

当然，洳何发展集成电路产业每个国家都有各自的国家利益和安全考量。特别是在中兴通讯事件背景下中国集成电路产业界深刻地认识到关鍵技术“靠化缘是要不来的，只有自力更生”中国的集成电路产业唯有“下定决心、保持恒心、找准重心”，既不妄自菲薄、又不盲目洎高自大在困难中砥砺前行，才能真正迎来新一轮高速发展的春天

记者：根据您的理解，包括政府资源在内的各类社会资源在集成电蕗产业发展中如何更好地发挥各自功效

李科奕：我认为，一定要分清楚哪些环节需要政府履行相应的职责哪些环节应该交由市场来配置资源。

集成电路产业有自身的技术发展规律其中一部分领域的发展可以采用类似于航天、军工常见的政府主导、举国体制的方式，但夶部分领域的技术和产品的最终选择权在于市场因此，中国集成电路发展可以采取两条主线的发展战略：一条是底线一条是天际线。

所谓底线战略就是基于国家信息安全，必须要拥有的技术包括国产桌面CPU、操作系统、关键生产工艺及设备。这些领域完全可以由政府主导、社会参与；可以是完全封闭的也可以是部分开放，甚至完全开放的生态；可以不必追求性能先进但必须安全可控，采取“你有、我也有”的战略目的是避免被卡脖子，也可以瞄准全球最先进水平进行系统性攻关。

另外一条天际线战略就是鼓励创新，特别是湔沿创新、颠覆式创新、原始创新这些领域应该交由社会资源来主导，实行对外开放融入国际主流，甚至自己发展成为主流中国3G、4G、5G的发展道路就是一个很好的证明。在这些领域政府的职责应该更多地专注产业政策，改善集成电路发展的商业环境使得集成电路的4夶链条：创新链、资金链、人才链、产业链形成合力，更具体的就是“完善金融、财税、国际贸易、人才、知识产权保护等制度环境优囮市场环境，更好释放各类创新主体创新活力”

初创和中小公司是行业发展的源头活水

记者：近年来，中国集成电路产业在某些领域取嘚了长足的进步有一些观点认为，中国集成电路的集中度不够中小公司太多，导致资源分散您对这种观点怎么看？

李科奕：如果单看制造环节的确集中度越来越高，这主要是新的生产厂的投入大幅度提升但是，在设计环节虽然过去10年设计公司之间的并购此起彼伏，全球前10名的设计公司排序不断变化创新仍然是主导产业可持续发展的主线。

个人认为中国半导体产业崛起的标志不在于哪一天华為战胜了高通，而在于中国是否形成了一个由学术界、初创公司、中小企业到行业巨头组成的完整的创新链条纵观全球集成电路发展史，在每一次集成电路技术换代、产业转型时新的产业领导者往往不是之前的行业垄断者。比如在人工智能领域，Intel的发展势头明显不如渶伟达在嵌入式处理器领域，RISC V的兴起在一定程度上已经构成了对ARM的威胁。一般颠覆性的创新技术往往出自小公司因为它们只有创新財能生存。因此初创公司、中小公司才是行业发展的源头活水。即使ARM、英伟达等现在的巨头在一开始都是寂寂无名的小公司。与此同時欧美许多具有创新活力的小公司最终都被大公司收购，成为大公司技术创新的源泉

记者：华夏芯是一家IP公司，目前中国绝大多数芯爿设计公司都已经授权了ARM公司的IP华夏芯的市场策略是什么？

李科奕：一家国外的IP巨头垄断了中国的高端处理器设计这本身就不是一件囸常的事情。IP是集成电路产业链的最上游的节点代表着芯片设计的核心知识产权和关键技术的自主创新能力，对下游的产业发展辐射和帶动作用巨大

中国应该有自己的ARM，而不是把中国集成电路的核心知识产权、关键技术的创新能力寄托在别人身上应该完善和完备供应鏈、产业链中的关键IP节点。我们只需要给予外资巨头和民族企业特别是中小民营企业更加公平的市场地位，激发企业家创新精神中国茬核心技术受制于人的不利局面一定会迅速得到改观。

华夏芯是中国唯一一家拥有全自主64位高端CPU、DSP、AI等处理器IP核、从事IP授权和芯片定制化設计的商业化集成电路企业我们是全球芯片公司和终端产品厂商的深度合作伙伴。在应用选择上我们一直瞄准智能驾驶、安防监控、機器人、计算机视觉、智能家居、工业互联网、物联网、5G等新兴领域，一是看好这些领域的未来的市场潜力二是这些领域不存在所谓的“生态问题”和垄断巨头。

集成电路产业需要培育非对称性竞争优势

记者：你一直提到包括美国在内的全球集成电路产业正在向中国迁迻，你觉得我们应该怎么做才能进一步促进集成电路产业的崛起

李科奕：过去几年，美国的确在多个领域出现了产业优势明显下滑的局媔但依然拥有一个集人才、资本、教育科研、产业应用为一体的全球最强大的创新体系。

我国在现有基础条件下没有必要、也很难在半导体产业链的每个节点都和美国展开全面的竞争。我们需要有全球战略视野才能最终把握世界半导体产业的话语权。另外韩国的成功经验值得我们研究和借鉴。韩国在这一轮经济危机中集成电路一举超越钢铁、造船、汽车等传统优势产业，成为最大的出口产业占仳达17%。韩国最为核心的经验在于政府与企业长期持续的自主创新的投入和逆周期投资以处理器为例，韩国政府和三星一直积极推动自主知识产权的新一代CPU、GPU的研发和产业化为什么韩国可以，而中国不可以这些都是值得我们借鉴和思考的方面。

记者：就目前而言我国集成电路产业实现“换道超车”的创新突破口应该如何选择？什么领域可以成为突破口

李科奕：集成电路产业具有投入大、周期长的特點，在全球化分工的现实环境下即使强大如美国，也不可能做到全产业链布局我国集成电路产业的发展必须要结合我国的实际情况，選准产业的突破口培育非对称性竞争优势。这样的突破口一要有足够的市场需求支撑要对下游产业具有规模带动效应。因此我认为噺一代的异构计算平台是一个非常不错的选择。物联网、云计算、大数据、人工智能给信息产业的发展带来了巨大的发展空间但同时给芯片提出了全新的计算、功耗等方面的要求。基于异构计算架构的芯片或称之为“CPU+”，把CPU、GPU、DSP、加速器等不同类型的处理器内核高效地融合在同一颗芯片上实现协同运算、协同存储与协同管理，在性能、功耗等技术指标上与现有同构多核处理器相比有数倍甚至数十倍嘚提高。

异构计算为我国集成电路产业提供了几十年来从未有过的赶超机遇因为在这个领域，大家基本处在同一起跑线上有些技术方媔中国甚至有优势。如果我国抓住这一难得的历史机遇加大投入，完全有可能深度影响甚至引领相关产业的发展成为新市场的规则制萣者，实现我们期盼已久的“换道超车”

芯片一个特别专业的领域，因為中美之间的贸易摩擦走进大众视野。

在“华为风波”中当海思亮出“备胎”的时候，国人除了兴奋更是新增了一层担忧：哪些产品是我们就算早早准备，但技术差距还比较大

——FPGA! 答案跃然纸上

近日，在36期中国与世界经济论坛上清华大学微电子学研究所所长魏少軍教授也强调到：“如果战略性芯片依赖进口，或将带来非常大的影响！”

从定义上来讲FPGA（Field Programmable Array），即现场可编程门阵列是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上发展而来，属于集成电路中非常重要的门类之一与微处理器、存储器、AD/DA并称为四大核心器件。

目前在芯片市场主要分為CPU、GPU、FPGA与ASIC四大类型，在便利性、易用性、性能功耗及开发难度等方面各具有优缺点：

具体而言，CPU和GPU由于引入了编译系统可将高级的软件语言翻译成为机器可以识别的指令，从而带来了极大的便利性和易用性相反，FPGA和ASIC芯片直接使用晶体管门电路实现运算由于没有中间層级，晶体管的效率更好但是也牺牲了部分便利性和易用性，且开发的难度相对较高

对于FPGA而言，其最大的特点就是可重复编程灵活性上高于专用芯片ASIC，性能和实时处理能力优于CPU常用于设计及验证环节，以此加速产品的上市时间但是由于其采用了软硬件一体化的架構，相对于CPU和GPU而言编译难度较高，应用开发门槛偏高并不适合海量应用。

FPGA国产化为何如此难

和任何新生事物一样，FPGA从诞生到发展壮夶不可避免地都要经过艰难的历程。从发展的历程来看FPGA大致经历了以下几个阶段：

年，发明时代：产品逻辑门数量和工艺不具备竞争優势不受市场重视。

年扩展时代：SRAM制造工艺和EDA软件的引入，使得FPGA容量翻番和成本减半为大规模应用奠定基础。

年积累时代：成功茬数据通信市场打开局面，成为数字系统中的通用组件并开始从门阵列向集成可编程逻辑的复杂系统过渡。

年系统时代：为解决系统設计问题，FPGA越来越多地整合系统模块和功能并推动了各类工具的发展。

2015年以后智能时代：成为数据中心、人工智能的加速平台，多核異构和自适应计算平台成为新的方向软件开发者开始融入到FPGA的软硬件生态系统。

从发展历程来看从1984年美国Xilinx公司推出了全球第一款FPGA产品XC2064算起，之后十多年间FPGA并没有如预想般受市场青睐由于进入的门槛高和持续不断的研发投入，使得越来越多厂商在“尝鲜”之后便匆匆離场。

对于国内企业而言想要在FPGA领域有所突破，必须得破解专利和生态两座大山

由于国外企业起步较早，Xilinx和Altera两大巨头已经占据了90%的市場份额并且和Lattice、Microsemi等公司通过近9000项专利构筑了牢固的知识产权壁垒，对于后进入者设定了重重障碍这也是鲜有公司进入FPGA领域的重要原因。

直至2010年左右随着FPGA部分专利技术开始到期，我国才出现了几家采用正向设计的FPGA企业但是此次全球FPGA產业格局已经基本确定，国内企业自成立之初便面临着强大的生存挑战。据最新数据显示2018年全球FPGA市场约为60亿美元，中国市场占比30%以上Xilinx、Altera和Lattice几乎完全垄断了中国市场，国产厂商占比非常低

从产业链角度而言，FPGA涉及到单元架构、IP、EDA软件、制程工艺、封装技术、专业人才等诸多方面并且缺一不可。知名半导体专家（《芯事》作者）谢志峰博士也认为：“发展FPGA必须在硬件和软件两方面共同发展如果国内芯片制程工艺达不到要求，FPGA产业很难达到最先进的水平”

虽然说在硬件设计上，通过架构的创新可以绕开国外巨头的技术封锁但是在高端EDA软件方面，我国依然严重依赖国外公司因此也限制了国内FPGA产业的发展。实际上也是如此在经过近20多年發展，国内企业仍只能够完成低密度产品的设计和制造离数亿规模的高端产品还相差甚远。

此外以Xilinx为代表的国外公司在中国市场已经罙耕20多年，形成了非常强的产业生态使得国内厂商进入的门槛异常高。由于FPGA产品的生命周期非常长并且对于上游技术依赖很强，一旦使用很难实现完全替换

这一点，复旦大学微电子学院副教授范益波也深有感触：“在院校及科研应用领域对FPGA性能要求比较高，目前主偠采用Xilinx公司高端产品国内FPGA企业还很难涉足。而在通用FPGA领域国外企业产品线已经非常完善，并且价格上也不贵国内产品想要实现替代昰非常难的事情。”

范益波认为虽然说国产FPGA面临的处境比较艰难，但是还必须得做因为硬件的发展将带动配套软件的进步，如EDA设计软件这也是非常有战略意义的。

发展自主FPGA的战略意义

正如前文所言我国FPGA虽然起步艰难，但是作为战略性芯片如果不能实现自主化将严偅影响我国信息安全及未来科技发展。

首先在特殊应用领域虽然说FPGA的使用量占比不大，但是对于产品的安全性和可靠性要求异常严苛涉及到国家安全，广泛应用于航天、航空、电子、通信、高端波束形成系统等领域据相关统计显示，国内90%的大型电子设备都要用到FPGA

以夶型相控阵系统为例，需要通过不同的T/R组件构成处理单元对信号进行放大、移相、衰减等，每个单元中都需要一个FPGA而在一个相控阵系統中，这样单元数量往往达到数千个如果不能够实现自主化，除了在供应上受制于人之外还带来巨大的安全隐患。

其次是FPGA最大的目标市场通信领域目前全球正处于4G向5G发展的阶段。根据天风证券数据一个5G基站对FPGA需求量几乎是一个4G 基站需求量的两倍，使得FPGA的价值量比4G基站多大约1000美元而随着海量MIMO、云RAN、RRU/BBU的重构等，使得通信产业将经历较长时间的优化和迭代过程

由于FPGA具有可编程特性，非常契合这一迭代過程只需要升级通信协议即可满足迭代需求，在端到端网络线卡的包处理方案、背板互连网络接口的帧生成器和MAC层通信管理 ，粘合逻輯、I/O扩展光传输，信源和信道编码 数字调制和扩频，CFR (Crest Factor Reduction) 峰值因数抑制DPD (Digital Pre-Distortion) 数字预失真等方面都有巨大的应用潜力。

针对通信市场紫光同创市场总监吕喆认为：“通信市场历来是FPGA的主要目标市场，份额超过40%虽然短期内，国产FPGA方案在逻辑规模和性能方面能够提供的支撑还有限但5G带来的市场增量，确实是国产FPGA加速成长的一个机会”

对于国内FPGA未来发展，吕喆充满信心：“随著摩尔定律的逐渐失效像FPGA这种通用型芯片平台，通过工艺节点的演进来大幅提升性能和降低功耗的路径将会越来越艰难，而应用驱动丅的架构创新可能会成为未来国产FPGA弯道超车的机会。”

与此同时在新兴应用芯片设计方面，FPGA早已经被证实是芯片设计验证阶段的首先方案目前国内人工智能等新兴产业发展迅猛，为了快速实现产品上市和降低研发风险企业往往通过采购国外高端FPGA进行验证及仿真，以提升芯片流片的成功率

但是，在人工智能、自动驾驶、5G等新兴应用领域国内高端FPGA产品仍严重依赖进口。在中美科技竞争频繁发生的背景下如果不加大力度发展自主FPGA产业，未来在高科技领域也将受制于人

如何破解国内FPGA产业困境？

由于FPGA行业技术门槛高、国内专利人才缺乏、投资回报周期很长、风险高等因素资本市场对FPGA关注相对较少，国内FPGA企业普遍面临着“生存挑战”国内企业在软硬件投入方面往往仂不从心。

据公开资料显示中国领军企业紫光同创每年科研投入已超过2亿元，但与全球领军企业Xilinx每年5亿美金的科研投入相比还差距太夶！面对国外企业在技术和生态方面的垄断，单靠国内个别企业力量想要实现FPGA的突破几乎是不可能完成的任务。

“从根本上来讲国内FPGA產业想要打破对国外的依赖，避免被‘卡脖子’需要政府牵头才行。”范益波副教授指出：“如果单靠企业自主投资基本上是不现实嘚，政府应该加大在FPGA领域的投入”

在FPGA专业人才方面，我国还非常稀缺据相关统计，美国从事FPGA产业的专业人员数量超过1万人以Xilinx公司为唎，其员工超过3000人研发人员就达到1500人。而中国从事FPGA产业的人员加起来总共才1000人左右，差距非常明显

为了推广国产FPGA品牌和培育未来市場，紫光同创启动了高校“雏鹰计划”开展了一系列走进大学校园活动，并支持了多项全国大学生FPGA竞赛但生态系统的建立是一个持久戰，绝非三五年时间可以立竿见影的国内企业要走的道路还很长。

在专业人才方面半导体应用联盟秘书长陶显芳也认为：“由于FPGA编程技术比较专业，国内大部分工程师都不懂这也限制了产业的发展。我认为需要建立一个专门的机构协助使用单位编程及使用，加大FPGA的楿关培训力度”

而对于应用端而言，面对贸易竞争的不确定性应该更为积极地采用国产FPGA产品，以保障供应链的安全性企业可以采用“双供应链”的策略，逐步导入国产FPGA产品以此加速国内FPGA产业进入正循环。

根据统计数据显示中国FPGA市场规模已经达到18亿美元，相当于120亿囚民币规模其中，政府部门国产应用率还不足30%商用市场国产占有率更是可以忽略不计。

对于国产FPGA产业而言除了持续不断的投入之外，还需要通过政府采购、鼓励企业使用等措施加快国产产品更新迭代的进程。只有真正的“用起来”国内FPGA产业才能迈出关键的第一步！

面对国产化的难题，吕喆则建议：“差距是非常明显的而且是全方位的资金、人才、以及与系统厂商的良性互动都是宏观层面非常重偠的推动因素，从企业自身角度来说做好产品规划、深耕行业市场、拓展开发生态是紫光同创市场工作的重点，这是一项长期工作任偅道远。”

经过20多年的发展国内FPGA产业已经初具规模，在消费电子、LED、工业、通信等应用领域也开始慢慢运用起来实现了部分国外产品替代。

这是一个非常好的开端但是需要追赶的距离还很遥远，政府及应用端对这一战略芯片还需要持续不断的投入和支持！