我国芯片之路

合抱之木，生于毫末;九层之台，起于累土;千里之行，始于足下。芯片领域是我国被“卡脖子”的突出、代表领域之一。在外部环境加剧变化的当下，“缺芯”问题更加凸显。差距是客观存在的，但我们也一直在进步的路上，自主研发，道阻且长。

1、3D视觉芯片

据科技日报7月初的报道，近日，中科融合感知智能研究院(苏州工业园区)有限公司(以下简称中科融合)自主研发的高精度AI-3D双引擎SOC芯片，已经在国内一家芯片代工厂进入最终流片阶段。这也是全球首颗AI-3D双引擎SOC芯片。该芯片将和中科融合2019年研发、目前已初步量产的MEMS(微机电系统)微镜3D结构光芯片，共同成为全国产高精度机器视觉的3D之“脑”与之“眼”。

在智能制造、金融安全、混合现实等众多新兴领域，3D视觉芯片技术都属于核心基础。然而，几乎所有高精度机器视觉系统的3D视觉入口都采用了美国德州仪器公司100%垄断的DLP(数字光处理)芯片技术。过去1年，包括2020一季度，超过数10亿的资金投入智能机器视觉领域。若没有DLP芯片，所有机器视觉设备都会“失明”，基于这一技术的系统投入都将付之东流。

中科融合是国内实现全国产替代DLP芯片在3D视觉领域的领头羊。据CEO、中科院苏州纳米所AI实验室主任王旭光介绍，目前市场上并不存在专用于3D的AI芯片。中科融合首次实现了AI-3D双引擎集成SOC芯片，将高精度3D建模算法引擎和基于深度学习的智能引擎结合，并同时在单颗芯片中完成。

这一直接控制MEMS，同时整合了高精度动态结构光建模引擎和自研NPU双引擎的SOC芯片，具有以下几个优势：

- 成本低，单价只有国外同类指标产品的1/3上下;

- 功耗低，与国外方案相比，功耗降低1/10，低至毫瓦级，“插上充电宝就能跑起来”;

- 体积小，“同样是高精度，DLP光机模组像砖头，我们的芯片模组只有大拇指大小”;

- 精度高。据介绍，目前国外的芯片大多数是低成本、低精度，在3-30万个3D点云，类似早期的数码相机的低分辨率，“而我们的国产自研芯片可以做到百万以上的高精度3D点云，相当于直接到了高分辨率3D相机时代。更重要的是，在提供如此高精度的同时，可以做到和低精度相机相同的低成本、小体积。这是目前国外的DLP芯片做不到的。”

2、E波段毫米波芯片

据科技日报报道，7月6日，杭州电子科技大学程知群教授团队研发的毫米波通讯系统完成测试。该系统由毫米波天线、毫米波收发信机和高速基带处理电路板组成，实现了“超大数据高速率传输”，提供了5G通信的一种解决方案。系统中使用的毫米波芯片和基带电路板，由程教授领衔的杭电新型半导体器件与电路学科交叉团队自主研发。

“第四代通信技术传输速率为100Mbps，这意味着，数据传输中会有100毫秒的延时。第五代通信技术能够将数据传输时延缩短至1毫秒，传输速率为1Gbps-10Gbps。”程知群教授介绍说。目前，国际上5G通信采用的频段为Sub-6GHz和毫米波结合，分别兼顾远距离传输和区域高速回传，实现完整的数据传输通信链。程知群教授团队联合中国科学院研发力量，针对频段71GHz-86GHz毫米波通信的大气窗口自主研发的全套E波段毫米波芯片，能完全满足5G通信对传输速率的需求。

据了解，杭电自主研发的E波段毫米波芯片已经实现商业化。该芯片在外场实验中，曾成功实现全世界首个高阶毫米波外场验证，速率达到70Gbps。

程知群教授表示：“目前国际上有中、美、欧盟的3家公司有E波段毫米波芯片出售。这项成果的应用表明，在5G通信E波段毫米波芯片领域，中国有了自主研发的可替代方案。”

3、高能离子注入机

新华社记者6月28日从中国电子科技集团有限公司获悉，由该集团旗下电科装备自主研制的高能离子注入机成功实现百万电子伏特高能离子加速，性能达到国际先进水平。

离子注入机是芯片制造中的关键装备。在芯片制造过程中，需要掺入不同种类的元素以按预定方式改变材料的电性能，这些元素以带电离子的形式被加速至预定能量并注入至特定半导体材料中。离子注入机即是执行这一工艺的设备。

根据能量、注入剂量范围等不同，常用的离子注入机主要分为三种类型：低能大束流注入机、中束流注入机和高能注入机。其中，高能离子注入机的能量范围需要高达几MeV(百万电子伏特)，是离子注入机中技术难度最大的机型。

一直以来，我国离子注入机严重依赖外国，国产率极低，大部分的离子注入机市场被美国AMAT/Varian和Axcelis、日本SMIT和Nissin等品牌垄断。在高能离子注入机领域，Axcelis的前身Eaton占据了近乎垄断地位，国内之前一直是空白。此次电科装备在高能离子注入机上的突破，打破了国外厂商的垄断，填补了国内的空白。

此前，电科装备已连续突破中束流、大束流、特种应用及第三代半导体等离子注入机产品研发及产业化难题，产品广泛服务于全球知名芯片制造企业。

电科装备离子注入机总监张丛表示，电科装备将在年底前推出首台高能离子注入机，实现我国芯片制造领域全系列离子注入机自主创新发展，并将为全球芯片制造企业提供离子注入机成套解决方案。

4、CMOS毫米波全集成4通道相控阵芯片

6月15日，中国工程院院士刘韵洁表示，我国已研制出CMOS毫米波全集成4通道相控阵芯片，目前已经完成了芯片封装和测试，每通道成本实现了断崖式下降，由1000元降至20元，成本大降98%。同时刘院士透露，南京网络通讯与安全紫金山实验室还封装集成1024通道天线单元的毫米波大规模有源天线阵列。芯片与天线阵列力争2022年规模商用于5G系统。

有媒体称，这也是全球第1次较为完美地解决阻碍CMOS毫米波通信的芯片问题，从芯片、模块到天线阵面，均实现自主研发，在国际上处于领先地位。

一直以来，毫米波芯片是高容量5G移动通讯核心，长期被国外垄断(主要由欧美厂商占据主导地位)，是我国短板中的短板。毫米波拥有很多优势，比如频谱资源丰富、传输速率更高、方向性更好、元器件尺寸更小等，但由于长期以来被国外垄断，导致每通道成本高达上千元，严重影响我国更高容量5G核心技术的发展。

此次我国研制出CMOS毫米波全集成4通道相控阵芯片，打破了国外垄断，进一步增加了自身的筹码，极大提升我国在5G核“芯”产业链上的话语权，助力5G毫米波商用，对我国5G建设意义重大。

5、半导体激光隐形晶圆切割机

今年5月，中国电子旗下中国长城郑州轨道交通信息技术研究院和河南通用智能装备有限公司联合攻关，成功研制出我国首台半导体激光隐形晶圆切割机，填补了国内空白。该设备在关键性能参数上处于国际领先水平。

晶圆切割是半导体封测工艺中不可或缺的关键工序。据中国长城副总裁、郑州轨交院院长刘振宇介绍，与传统的切割方式相比，激光切割属于非接触式加工，可避免对晶体硅表面造成损伤，且具有加工精度高、加工效率高等特点，可大幅提升芯片生产制造的质量、效率、效益。

该装备通过采用特殊材料、特殊结构设计、特殊运动平台，可实现加工平台在高速运动时保持高稳定性、高精度，运动速度可达500mm/s，效率远高于国外设备。在光学方面，根据单晶硅的光谱特性，结合工业激光的应用水平，采用了合适波长、总功率、脉宽和重频的激光器，实现了隐形切割。在影像方面，采用不同像素尺寸、不同感光芯片的相机，配以不同功效的镜头，实现了产品轮廓识别及低、中、高倍的水平调整。该装备还搭载了同轴影像系统，可确保切割中效果的实时确认和优化，实现最佳切割效果。

据介绍，长期以来，高精度的切割机都依赖进口，特别是日本和德国品牌占据了大量的市场份额。我国首台半导体激光隐形晶圆切割机的成功研制，对进一步提高我国智能装备制造能力具有里程碑式的意义。

6、存储芯片

作为全球最大的电子产品制造国和重要的电子产品消费市场，中国对存储器、存储芯片有着巨大的需求。中国海关的统计数据显示，近两年，我国集成电路进口总金额均超过3000亿美元，其中，存储器进口金额占比均超过1/3。

但目前，全球的存储芯片行业主要由韩、美、日三国所掌控，占有全球存储芯片市场的份额合计超过9成。集邦咨询半导体研究中心的信息显示，在NAND Flash市场，三星、KIOXIA(原东芝存储)、西部数据、美光、英特尔和SK海力士这6家企业占据了全球99.5%的市场份额。而全球DRAM市场则被三星、SK海力士和美光所垄断，三家合计占据了超过95%的市场。

我国若无法实现存储芯片的自主可控，将意味着关键命脉被掌握在国外厂商手中。所幸的是，在长江存储、长鑫存储等国产存储厂商的努力下，国外厂商对于存储芯片的垄断逐渐被打破。

《日经亚洲评论》报道指出，从32层到128层的跨越，三星用了5年时间，而长江存储仅用了3年。目前，长江存储的128层产品已经与国际厂商近乎处于同一水平线上，这也意味着，中国的三维闪存芯片从最初的追赶首次实现了与国际同行的齐头并进。

去年9月，长鑫存储与世界主流产品同步的8Gb DDR4首度亮相，一期设计产能每月12万片晶圆。这标志着我国在内存芯片领域实现量产技术突破，拥有了这一关键战略性元器件的自主产能。

7、宇航级FPGA芯片

去年年初，北京微电子技术研究所成功研制出国内首个自主可控的宇航用千万门级高性能高可靠FPGA(现场可编程门阵列)芯片。经过ATE测试和板级验证，本次发布的FPGA的功能和性能指标均达到国外对标产品水平，相比前一代产品，系统容量增加58%，系统性能提升50%，功耗降低40%。国产宇航级FPGA芯片的成功研制，初步打破了外国的封锁垄断。

作为一种非常重要的芯片，FPGA一直是国内的短板，市场基本被国外垄断。FPGA市场主要由美国双寡头垄断，Xilinx和Altera(2015年被英特尔收购)两家占了全球90%的市场份额。国内超过100亿元的FPGA市场中，国产市占率不到3%。

近年来国家和地方对本土芯片产业的投入有目共睹，通过过去多年的技术沉淀，积累的创新能力，国内半导体产业链正在不断成熟完善，芯片设计能力也在不断加强，出现了如上海复旦微、紫光同创、高云半导体、上海安路等国产FPGA厂商。

8、超分辨光刻装备

2018年11月29日，国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”在成都通过验收。该装备由中国科学院光电技术研究所研制，光刻分辨力达到22纳米，结合双重曝光技术后，未来还可用于制造10纳米级别的芯片。

据介绍，该光刻机在365纳米光源波长下，单次曝光最高线宽分辨力达到22纳米。项目在原理上突破了分辨力衍射极限，建立了一条高分辨、大面积的纳米光刻装备研发新路线，绕过了国外相关知识产权壁垒，具有完全自主知识产权。

光刻机是制造芯片的核心装备，我国在这一领域长期落后。它采用类似照片冲印的技术，把母版上的精细图形通过曝光转移至硅片上。一般来说，光刻分辨力越高，加工的芯片集成度也就越高。但传统光刻技术由于受到光学衍射效应的影响，分辨力进一步提高受到很大限制。为获得更高分辨力，传统上采用缩短光波、增加成像系统数值孔径等技术路径来改进光刻机，但技术难度极高，装备成本也极高。

经过近7年艰苦攻关，我国的超分辨光刻装备研制项目在无国外成熟经验可借鉴的情况下，突破了高均匀性照明，超分辨光刻镜头，纳米级分辨力检焦及间隙测量，超精密、多自由度工件台及控制等关键技术，研制出了国际首套分辨力突破衍射极限的装备。

超分辨光刻装备项目的顺利实施，打破了国外在高端光刻装备领域的垄断，打破了传统路线格局，形成了一条全新的纳米光学光刻技术路线，为超材料/超表面、第三代光学器件、广义芯片等变革性领域的跨越式发展提供了制造工具，也为新一代信息技术、新材料、生物医疗等先进战略技术领域，基础前沿和国防安全提供了核心技术保障。

高科技领域的终极竞争在于技术竞争，核心竞争力就体现在核心技术上。差距是显性的结果，而缩小差距，需要从基础研究，到科技创新，再到规模化商用，全面提升能力。最终实现突破的那一大步，必定基于许许多多人点点滴滴、日日夜夜的努力和日拱一卒的精神。