目前,5G正進入加速發(fā)展期。5G將深入各行各業(yè),進一步解決物與物的聯接問題,促進產業(yè)的數字化轉型。通信產業(yè)每10年發(fā)展一代。相比于之前的通信技術,5G業(yè)務需求已發(fā)生重大變化,這也使得通信芯片面臨新的挑戰(zhàn)。
首先,由于數據規(guī)模急劇增長,提升計算力成為發(fā)展5G的重中之重。5G海量物聯網的感知層、連接速率的提升和時延的降低,都將極大地驅動數據量增長。因此,通信芯片除了要具備通信功能外,還需要擁有強大的計算能力,以滿足云網融合下網絡架構深刻變革的需求。
其次,芯片設計復雜度不斷增加。5G通過復雜的編碼來實現頻譜利用率的提升,多通道、高頻率和大帶寬共同推動數據吞吐量的增加。5G多樣化的應用場景、對兼顧低功耗的訴求都使得芯片設計變得非常復雜。
最后,受益于5G網絡,面向邊緣計算的高性能處理器和光器件發(fā)展前景廣闊,但國內芯片供應鏈仍有不足,產業(yè)規(guī)模商用和產品性能方面與國外企業(yè)仍有較大差距。
挑戰(zhàn)與機遇并存,5G發(fā)展在帶來挑戰(zhàn)的同時,也推動了國內半導體創(chuàng)新進步。
半導體技術創(chuàng)新發(fā)展趨勢
5G帶來的巨大的存儲市場需求,使中國成為全球大的半導體消費市場。半導體產業(yè)是我國科技核心支撐產業(yè),而具有高功率密度、高效率和低功耗優(yōu)勢的氮化鎵(GaN)電子器件,被稱為“第三代半導體”核心,是實現5G通信、萬物互聯的關鍵要素。
第三代半導體技術在導熱率、抗輻射能力、擊穿電場、電子飽和速率等方面優(yōu)點突出,是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”,在半導體照明、新一代移動通信、新能源并網、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車等領域有廣闊的應用前景。
全球第三代半導體產業(yè)格局為美、日、歐三足鼎立,其中,美國擁有較為完整的產業(yè)鏈,尤其是在碳化硅領域,美國為全球獨大,歐盟的主要優(yōu)勢則集中在外延環(huán)節(jié)、襯底、器件環(huán)節(jié),日本在設備和模塊開發(fā)等方面領先。
我國與美、歐、日等發(fā)達國家第一代和第二代半導體技術方面還存在較大差距,但在第三代半導體上,經過十年來的努力,我國與這些國家的差距相對較小,同時國內市場容量大,第三代半導體技術前景可期。
氮化鎵是一種商業(yè)應用相對較新的寬帶隙復合半導體。它的功率效率、功率密度和處理更寬頻率范圍的能力,使其非常適合大規(guī)模MIMO基站。氮化鎵具有一些良好特性,能更好地支持電子產品輕量化。
● 擊穿電場強度高。這極大提高了器件的電流密度和耐壓容量,降低導通損耗。
● 帶隙寬、禁帶寬度大。這意味著氮化鎵可以實現高功率的應用。
● 熱導率高。氮化鎵散熱性能優(yōu)異,器件集成度和功率密度高于傳統(tǒng)元器件。
● 電子飽和漂移速度快,可在更高的頻率下工作。
● 介電常數小,可降低集成電路的漏電電流,降低導線之間的電容效應。
● 化學性能穩(wěn)定。
● 硬度高。
政策支持推動國內產業(yè)繁榮
國家對于第三代半導體產業(yè)發(fā)展提供了持續(xù)不斷的政策方面的支持。早在2016年,國務院就推出了《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃的通知》,其中首次提到要加快第三代半導體芯片技術與器件的研發(fā);2019年6月商務部及發(fā)改委在鼓勵外商投資名單中增加了支持引進SiC超細粉體外商企業(yè);2019年11月工信部印發(fā)《重點新材料首批次應用示范指導目錄》,其中GaN單晶襯底、功率器件用GaN外延片、SiC外延片,SiC單晶襯底等第三代半導體產品進入目錄;2019年12月國務院在《長江三角洲區(qū)域—體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確要求加快培育布局第三代半導體產業(yè),推動制造業(yè)高質量發(fā)展。
政策支持下,國內半導體產業(yè)不斷發(fā)展。當前,我國已經形成了長三角、珠三角、京津冀、閩三角等多個第三代半導體產業(yè)集群,尤其是長三角和珠三角的實力相對雄厚,成為我國兩大國家第三代半導體科技創(chuàng)新中心。
以江蘇省為例,江蘇省“十四五”規(guī)劃將第三代半導體作為布局重點,并培育出了納微科技、英諾賽科、中科漢韻,以及華瑞微集成電路、蘇州能訊高能半導體等多家優(yōu)秀企業(yè)。
而在珠三角,第三代半導體技術同樣是廣東“十四五”規(guī)劃重點。廣東省明確將設立首期規(guī)模達200億元的半導體及集成電路產業(yè)投資基金,支持半導體和集成電路領域的技術創(chuàng)新,打造以廣州、深圳、珠海為核心的兩千億級芯片設計產業(yè)集群。其中,深圳作為國家級第三代半導體科技創(chuàng)新中心,目前已經成立了第三代半導體器件重點實驗室等一批重要平臺,成為國內半導體產品銷售、集散和設計中心。