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機械強國搶高點 德國微電子布局未來

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  德國工業是世界一流的,德國在微電子行業的發展也是獨具特色。德國聯邦教育與研究部于2018年7月發布的《德國微電子:驅動數字經濟的創新——德國聯邦政府研究與創新框架計劃2016-2020》,是一份關于德國微電子的五年規劃報告,非常值得一讀,對我們如何看待中國芯片產業的發展具有很高的參考價值。特別是“中興事件”之后,國人對我國高科技產業的狀況有了比較清醒的認識,意識到我們和美國、日本、韓國及歐洲國家之間的差距,特別是在芯片相關產業的差距,落后了起碼兩代。在政府大基金的支持下,從這幾年開始,我國在微電子產業的投入已經有了很大的提高。但是,僅僅靠投資的拉動就夠了嗎?


  眾所周知,隨著科技的快速發展,科技領先的國家和地區在科技人才的聚集、企業的領先地位、國家層面的戰略部署等,都有著相當大的優勢,造成了強者更強、弱者恒弱的局面。這里我們暫且不論美國、日本和韓國的微電子產業,仔細審閱德國的微電子產業規劃,或許反倒可以得到更多的啟發。


  五大戰略研究重點


  這份報告《德國微電子:驅動數字經濟的創新》是在今年七月正式發布的,規劃中有很多亮點,主要側重在研究和創新的具體方向和目標的頂層設計,以及實施過程中的措施和指導性建議。德國占整個歐洲三分之一的半導體產業,在很多領域有世界領先的技術和企業,在這個基礎上,規劃選出了五大戰略研究重點:多功能的電子系統、電子節能技術、設計芯片的創新工具、安全芯片、未來電子產品生產技術。這五大創新的戰略布局,是在揚長避短、因地制宜、專注德國現有的、具有細分優勢的微電子工業架構上制定的。


  1、具有多種功能的電子系統


  未來的電子系統將以高度微型化為特點,同時必須滿足功能、自主性、網絡能力、可靠性、安全性和能效方面的要求。這些多功能系統集成了許多元器件,例如,用于數據處理和通信的組件,用于發電或管理電量的傳感器和構件。數字、模擬和微電子機械元器件的集成(在某些特定情況下,都是集成在一塊芯片上,被業內人士稱之為“超越摩爾定律”的趨勢),與提高芯片結構的微型化(“延續摩爾定律”)不同。

  研究主題包括:

  ☆ 在晶圓和基板層面采用創新的系統集成技術,并將其整合到高度集成、能量優化、高品質的電子系統中;

  ☆ 多功能電子系統的異構集成技術和組件概念,例如,適用于各種功能和芯片技術的集成,以及片材上和片材內異構系統的集成;

  ☆ 創新的傳感器概念及其在半導體基礎上的實現;

  ☆ 嵌入式技術與微納米接觸技術;

  ☆ 優化和改進電子電路、模塊的封裝技術與材料的策略;

  ☆ 創新的測試程序與系統行為的仿真模型;

  ☆ 用于理解和預測高度集成電子系統技術可靠性、功能可靠性、長期穩定性的模型;

  ☆ 高度集成電子系統面向生產的測量和測試程序;

  ☆ 高度集成電子系統的模塊化和標準化,適于廣泛應用。


  2、電力電子產品,有效利用能源

  電力電子技術是一門重要的跨學科技術。在所有使用電能的情況下,都要對電能進行配電、轉換或控制。這項任務由電力電子執行。重要應用領域包括:工業過程的供電、驅動技術、信息與通信技術以及照明設備。電力電子涵蓋了廣泛的價值創造領域:從復雜的基礎材料開始,首先是所有的元器件,然后是組裝,最后是使用合適的組裝和連接技術來構建整個系統。能源效率一直是高層次目標。

  基于硅半導體的電力電子系統,是當今最先進的技術。一方面,這些系統的集成密度將繼續提高;另一方面,已經研究開發出許多很有前途的前體材料,可用于大幅提高電能轉換效率和微型化。

  研究主題包括:

  ☆ 在功率半導體材料的基礎上,為高效的整體系統提供創新的電路技術解決方案;

  ☆ 組裝連接技術與熱管理的新方法,旨在發揮新材料的潛力。例如,更高的開關頻率和不同的操作溫度;

  ☆ 在裝配與系統層面建立誤差機制和可靠性優化的模型;

  ☆ 加強網絡聯系和系統情報,以便在所有材料類別的基礎上提供高度集成的解決方案。


  3、芯片與系統設計的創新工具

  今天的處理器和集成電路,在非常狹小的封閉空間中放置了多達數十億個晶體管。在某些情況下,有些單體結構只有14納米寬,還不到一根頭發直徑的千分之一!為了規劃設計復雜芯片或電子系統,必須要用高度發達的計算機算法和復雜的模擬——不論是“延續摩爾定律”,還是“超越摩爾定律”。這些用于設計自動化和驗證的工具是芯片與系統功能的基礎;例如,它們考慮了制造過程產生的物理相互作用和框架條件。只有對技術的全面理解,通過改進和創造性地使用這些工具,才能掌握日益復雜的新型(微)電子系統。設計的有效性、自動化程度及設計質量等既決定了產業的發展周期,也決定了進入市場的時間因素。

  研究主題包括:

  ☆ 適用于越來越小的結構寬度(物理效應對較大的結構寬度沒有影響)的復雜設計規則,發揮著越來越重要的作用;

  ☆ 考慮非功能性因素(諸如功耗、穩健性和老化效應)的影響;

  ☆ 高度自動化的“混合信號電路”設計,把模擬組件(例如無線通信接口)和數字電路集成到一個單一的系統;

  ☆ 3D集成、高度緊湊系統的組裝和連接技術的應用;

  ☆ 模擬-數字混合系統與3D集成系統的測試和驗證方法;

  ☆ 擴大計算機輔助設計環境在整個增值鏈上的應用,以便在開始生產前的初期階段保障整個系統。


  4、數字社會的安全芯片

  基于芯片的安全技術和功能,是在硬件層面上保障數字化安全的關鍵。為保障身份證件和護照等官方證件的安全識別,已經采用了具有防止偽造和篡改功能的芯片卡。由于工業4.0、能源供應、移動支付系統等應用的網絡化動態發展強勁,以及移動終端設備數量不斷增多,所以對安全芯片的需求將會繼續增長。

  伴隨這一發展的是實時數據越來越多,這些數據來自日益增多的智能傳感器系統。要安全高效地使用“物聯網”和以此為基礎的各種服務,就必須繼續提高德國高度發達的基于芯片的安全技術專業水平,通過競爭方式打造這類技術。安全芯片是德國和歐洲微電子產業的一大優勢,但是在這個領域中,新的攻擊方法不斷形成,可以繞過現有的保護機制。因此,必須不斷改進基于芯片的安全技術,并在芯片制造過程中采用新型方法。

  研究主題包括:

  ☆ 芯片身份唯一性的識別方法。例如,通過所謂的“物理不可克隆函數”實現物理指紋,以及指定安全級別的驗證與確認方法;

  ☆ 保護芯片免受外部攻擊的電路技術措施;

  ☆ 實現制造商實施真實性保護。例如,防止合同制造商(代工廠)在生產過程中作假。

  為了成功應對當前和未來面臨的挑戰,必須加強和提高基于芯片的安全技術的現有能力。通過生產物美價廉的安全芯片,可以長期鞏固和提高德國作為微電子供應商的領先地位。對基于芯片的安全技術的支持,主要依據德國聯邦政府的“2015-2020年數字化世界中的自主與安全” 研究框架計劃。


  5、未來電子產品生產技術與電子產品生產

  要連通從半導體到終端產品的增值鏈,就必須繼續提高生產電子產品的技術能力。開發新的生產技術,需要統籌考慮工藝、材料和系統設備。這不僅適用于標準組件,而且更適用于多功能組件。在材料和設備領域的德國供應商,深度參與了開發。例如,在光刻技術領域,利用極紫外輻射(極紫外光刻)制造特別小的芯片結構。許多微機電系統的制造工藝也是德國開發的。獨立的電子創新能力,特別是在競爭條件下為用戶提供安全保障,也是先進制造技術不斷發展的重要原因。

  研究主題包括:

  ☆ 進一步實現生產的自動化;

  ☆ 系統和工藝能高精度、低成本、可靠地加工體積小、種類繁多的組件,制造復雜的多功能電子組件和系統;

  ☆ 測量和測試技術支持快速創新周期,滿足對質量的高要求。

  歐洲的增值鏈對電子產品的生產技術尤為重要,所以要通過歐洲聯合項目,優先提供支持。在德國聯邦教育和研究部的“可持續發展研究——FONA”和“從材料到創新”(呼吁:“資源節約型工業和社會的材料”或“合成納米材料的安全使用”)計劃中,以及聯邦環境、自然保護、建筑和核安全部開展的部級研究中,德國聯邦政府支持研究生產過程的可持續性和資源效率,支持研究處理和回收原材料方面所面臨的挑戰。這方面的戰略框架,由聯邦政府的“德國資源效率計劃”提供。

  相對而言,美國、日本及其它亞洲國家的芯片產業的發展,已經在CPUGPU、存儲元器件、芯片設計、晶圓代工等領域各自占據領先或主導地位。德國的規劃基本上都避開了這些現有全球產業鏈的分工,是結合自身的實力,選擇了最有價值的五個創新領域。德國的代表性企業西門子、英飛凌、博世等在許多細分領域都是世界領先的,德國的這份規劃正是借力于這些公司的強項而制定的。

  德國制造業的優勢給德國微電子發展提供很多有利的因素,規劃中的諸多細節明顯的借助了德國強大的汽車工業(寶馬、奔馳、大眾)、電子制造(西門子、倍福)、芯片制造(英飛凌,全球半導體排名11)、MEMS傳感器(博世),希望在汽車工業、醫療電子、工業4.0和微電子集成系統等方面做到持續性的創新領先。


  德國框架計劃


  在德國的規劃中,除了技術上有明確的方向,在實施的具體措施方面也提出了幾個設想。


  1.增加國家的經費,經由德國科學基金會的參與,希望籌措到4億歐元的規模。


  德國聯邦政府通過新的高科技戰略,已經為自己設定好目標——與工業界和研究界合作,發揮和強化微電子技術的潛力。相關科研經費的重點目標領域,既包括德國和歐洲的社會需求和技術目標,也包括微電子技術及其應用的全球發展。


  這方面的措施范圍很廣,從通過多種形式的研討會開展討論(如未來的微電子制造技術),到與專家就個別議題進行討論。特別是,在機械及工廠工程領域的利益相關者參與下,討論了工業4.0中電子和傳感器系統的研究需求。對正在開展的研究項目進行持續分析(如電力電子技術)是聯邦教育和研究部制定戰略的額外因素。例如,在德國科學基金會參與的專家討論中,聯邦教育和研究部已經討論了一維電子技術(它為電子和傳感器系統提供了創新潛力)未來的前景和研究計劃。


  報告中已經具體規定了研究經費的重點領域,這些領域有待進一步發展、確定優先考慮,納入2020年計劃期間的討論中,這些經費將主要用于聯合項目和個體項目。作為個人籌資措施抉擇的一部分,需要綜合考慮應用機會、把德國作為基地的倍增效應,以及研究方法的質量。


  2.基于共贏基礎上的歐盟國家的聯合項目,明確地提出和法國的原子能委員會電子與信息技術實驗室、荷蘭的應用科學研究組織、比利時的微電子研究中心等強強聯合,在領跑的領域保持可持續的創新,推動相關的微電子創新。


  對于微電子領域特別重要的是 “歐洲電子元件與系統領導地位” (ECSEL)研究計劃,其經費以歐洲為基礎聯合資助。在2014年至2020年期間,歐盟從“地平線2020”基金中為其撥款約14億歐元。至少有來自三個國家的合作伙伴,正在為整個增值鏈面向應用和技術的項目提供資金。這是該研究計劃的一部分。


  特別是,ECSEL提供了支持研究驅動的試制生產線的機會,為歐洲在研究與創造價值之間的接口上提供制造新產品的方法。歐盟和參與ECSEL計劃的成員國,在財政上是平等的。聯邦教育和研究部在研究經費方面,會通過本計劃提出的重點,向ECSEL計劃作出貢獻。因此,德國的利益相關者,向ECSEL計劃提供的資金會大幅增加。


  在西班牙、匈牙利和土耳其的支持下,法國、荷蘭、比利時和德國已經啟動了“泛歐洲微電子與納米電子技術和應用合作伙伴關系”(PENTA)的“尤里卡”集群。


  其運作時間為2016年至2020年,目標是在ECSEL計劃范圍外選定的領域中,進一步加強歐洲的研究合作。在PENTA里,有更多機會推進ECSEL計劃無法充分覆蓋(因為參與的資助機構太多)的戰略性重點研究課題。PENTA集群還越來越重視汽車電子、醫療技術、工業4.0方面的應用,助力推動來自兩個尤里卡國家的、有兩個或兩個以上合作伙伴的項目??鐕暮献鲗τ陟柟虒iL很重要。


  3.加強創新型中小企業建設。


  自2008年以來,德國聯邦經濟事務和能源部通過“中小企業核心創新計劃(ZIM)”,已經向包括微電子、電氣、測量和傳感器技術在內的所有技術領域,提供了研發經費。除了專題資助項目外,自2007年以來,聯邦教育和研究部還通過“中小企業創新”(創新型中小企業基金)資助計劃,提供支持中小企業的快捷資助通道。公開選擇主題領域和全面建議,旨在使這項措施對企業更具吸引力。


  聯邦教育和研究部的另一個目標是,讓中小企業更多地參與德國和歐洲支持的、以電子系統為重點的計劃。在啟動國家籌資措施時,要考慮中小企業的特殊優勢。


  4.并發揮德國研究機構的優勢。


  德國的研究領域有一個特殊優勢,即綜合能力和基礎設施非常全面,既面向基礎研究,也面向應用研究。在弗勞恩霍夫協會、馬克斯-普朗克學會、亥姆霍茲協會和萊布尼茨協會等主要研究機構,微電子和納米電子技術都有牢固的基礎。


  大學及其他第三層次機構開展了各種各樣的基礎研究和應用研究活動。聯邦教育和研究部對應用研究的支持是直接與商業行業開展聯合項目;對高?;A研究的支持則是通過德國研究基金會提供資助。


  聯邦政府和聯邦各州的卓越計劃也在加強微電子尖端技術的研究。


  企業與研究機構通過聯合項目開展研究,是聯邦教育和研究部對微電子技術提供支持的核心。


  5.為創新和投資創造基礎.


  微電子工業已有50多年的成功歷史,至今在全球范圍內仍以每年約6%的速度增長,并且還將隨著數字化的進步而更顯重要性。微電子技術領域的技術專長和主權,對于實現工業4.0、物聯網和無人駕駛汽車都至關重要。


  復雜的電子系統是德國微電子工業的強項之一,它為歐洲和全球的成長市場提供服務。


  緊密的創新合作伙伴關系、共生型增值鏈和富有成效的本地化研究環境,使微電子企業及其客戶受益良多。


  標準和平臺也是保障德國微電子業創新優勢的一個重要附加要素。


  以上這些都是為了在科技發展中能夠做到揚長避短、橫向聯合、充分利用德國和歐盟國家地區的產業鏈。


  對中國的啟示


  目前中國的微電子產業,特別是芯片產業受到方方面面的重視。國家級的大基金對整個微電子產業的快速發展提供了強大的推動力,形勢可喜。各地的相關投資力度也大大加強,從硅單晶制造、芯片設計、到芯片制造及后道封裝,中國是除了美國之外唯一一個在全方位都想涉及的國家。而相對于德國的這份實實在在微電子產業規劃,我們應該反思一下,如何發展出具有核心競爭力的技術創新,如何做到可持續性的創新,從而借助中國的市場發展出世界領先的企業?


  從以往的光伏產業發展的經驗、LED產業發展的過程來看,我們應該有更好的微電子產業的規劃,在人才引進、產業定位、技術創新上可以借鑒德國規劃中的思路,在各個細分技術領域中制定切實可行的技術路線和實施方案。


  相對于德國政府、企業、研究機構的緊密合作,我國在產學研的合作上,相對來說資源分散,橫向的聯盟也遠不如德國企業更為有效,這些都是我們可以借鑒改善的。


  在一個已經全球化的工業體系之中,如何借力于國家和地區之間的合作,已經是一個國家對產業發展規劃必須要考慮的問題。德國的規劃中不僅僅限于德國本身的優勢集合,還進一步地選取了法國、荷蘭、比利時等國家的一流研發創新中心一起合作,自然是大大增強了在競爭中的勝算。


  微電子相關產業與各個領域的數字化、集成化、智能化緊密結合,是現代工業中各種前瞻性技術的基礎。無論是工業4.0、物聯網,還是新的醫療科技、無人駕駛汽車、節能電力電子技術的很多關鍵技術,都得靠微電子技術的不斷創新來實現。展望未來5-10年,隨著芯片技術不斷的突破,傳感器的各種創新、微電子產業的格局也會不斷的變化。如同手機淘汰了固定電話、數碼攝像淘汰了膠片、數字圖像淘汰VCR那樣,變化總比人們想象的要來得更快。未來的機遇,就看誰能掌握創新,誰才有生命力。而要保持可持續的創新并非容易,德國立足于其強大的工業體系和一流的研發機構,建立可靠而有效的聯盟“泛歐洲微電子與納米電子技術和應用合作伙伴關系”(PENTA)的(EUREKA)集群,無疑都是非常明智的決策。


  微電子產業是技術密集型、投資密集型、人才密集型的產業。德國的框架規劃綜合考慮了各方面的因素,為政府的職能界定和企業的主導作用提供了很好的、有效的平臺,其中很多地方實在值得國內的相關人士借鑒。


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2018年11月28日 17:34
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