如果硅基走到了盡頭，那么全球半導體產業(yè)必須找到新的材料“續(xù)命”。2009年，半導體技術發(fā)展路線圖委員會(ITRS)將碳基納米材料列入延續(xù)摩爾定律的未來集成電路技術選項，但是在其后的時間里，碳納米材料的研究進展并沒有給業(yè)界交出滿意答卷。

近日，中國科學院院士、北京大學電子學系教授彭練矛和張志勇教授團隊宣布他們把碳基半導體技術從實驗室研究向產業(yè)化應用推進了一大步。5月22日，該團隊在《科學》(Science)雜志發(fā)表《用于高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列》論文，介紹了其最新發(fā)展的多次提純和維度限制自組裝方法。由于解決了長期困擾碳基半導體材料制備的問題，這個方法的成果令業(yè)界振奮，但從實驗室到產業(yè)化還必須經歷漫長的路。

高性能碳納米管的重大飛躍

每一種技術都有它的生命周期，現(xiàn)有的硅基芯片制造技術即將觸碰其極限，碳納米管技術被認為是后摩爾技術的重要選項之一。

相對于傳統(tǒng)的硅基CMOS晶體管，碳管晶體管具有明顯的速度和功耗綜合優(yōu)勢。IBM的理論計算表明，若完全按照現(xiàn)有二維平面框架設計，碳管技術相較硅基技術具有15代、至少30年以上的優(yōu)勢。斯坦福大學的系統(tǒng)層面的模擬表明，碳管技術還有望將常規(guī)的二維硅基芯片技術發(fā)展成為三維芯片技術，將目前的芯片綜合性能提升1000倍以上。

業(yè)界對碳納米管寄予厚望，2017年在臺積電IEDM大會上，臺積電CTO孫元成就報告了關于碳納米管的消息。

但碳管技術“理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感”，碳基在理論上和模擬層面的理想值曾讓IBM和英特爾為此進行了很多年的探索，但是都遇到了瓶頸。2005年，Intel的器件專家發(fā)表論文，結論是無法制備出性能超越硅基n型晶體管的碳納米管器件，其后Intel放棄了碳基集成電路技術。在技術路線上，IBM與英特爾都選擇了傳統(tǒng)的“摻雜”工藝制備碳納米管晶體管。

彭練矛院士和張志勇團隊在2001年進入該領域，選擇了與英特爾IBM不同的另外一條路，發(fā)展了一整套碳納米管CMOS集成電路和光電器件的“無摻雜制備技術”。在2017年首次制備出柵長5納米的碳管晶體管這一世界上迄今為止最小的高性能晶體管，綜合性能比當時最好的硅基晶體管領先10倍，接近了量子極限，該成果的論文發(fā)表在2017年的《科學》雜志上。

2018年，該團隊再次突破了傳統(tǒng)的理論極限，發(fā)展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶體管，能夠滿足未來超低功耗集成電路的需要，為超低功耗納米電子學的發(fā)展奠定了基礎，該論文發(fā)表在2018年的《科學》雜志上。

在今年5月22日發(fā)表在《科學》雜志的論文上，彭練矛院士和張志勇教授團隊闡述了其最新發(fā)展的多次提純和維度限制自組裝方法。這個方法解決了長期困擾碳基半導體材料制備的材料純度、密度和面積問題，純度達到了99.99997%左右，密度從5納米到10納米，每微米100根到200根碳納米管，這個材料基本上具備了做大規(guī)模集成電路的可能性。

在此論文發(fā)表后，杜克大學教授Aaron Franklin說，10年前他幫助IBM公司確定了碳納米管純度和密度的目標，當時很多人認為這無法實現(xiàn)?，F(xiàn)在彭練矛和張志勇團隊實現(xiàn)了突破，“這確實是一項了不起的成就，是高性能碳納米管晶體管的重大飛躍?！盇aron Franklin表示。

北京碳基集成電路研究院的技術人員向記者表示，碳基技術有著比硅基技術更優(yōu)的性能和更低的功耗，性能功耗綜合優(yōu)勢在5到10倍，這意味著碳基芯片性能比相同技術節(jié)點的硅基芯片領先三代以上。比如采用90納米工藝的碳基芯片有望制備出性能和集成度相當于28納米技術節(jié)點的硅基芯片;采用28納米工藝的碳基芯片則可以實現(xiàn)等同于7納米技術節(jié)點的硅基芯片。這為已經走在極限值邊緣的全球半導體產業(yè)打開了另外一扇大門。

對于彭練矛院士團隊的突破，元禾璞華管理合伙人、投委會主席陳大同表示：“彭院士團隊對于碳基半導體的研究絕對是世界級原創(chuàng)性技術，具有前瞻性，未來在半導體材料和芯片領域有非常大的優(yōu)勢和機會?！?019年，中國科學院微電子所葉甜春所長在參觀完4英寸碳基半導體實驗線時曾表示：“碳基半導體的研究和工業(yè)化實踐是中國第三代半導體產業(yè)中不可缺少的一個重要組成部分。”

碳基半導體需穿越“死亡谷”

世界的進步需要科學家不斷發(fā)現(xiàn)新物質規(guī)律和新理論，但從一扇窗變成一條新路，需要龐大的創(chuàng)新鏈齊心協(xié)力。在硅基的技術路線上我們一直跟隨，在碳基路線上中國科學家已經從理論和實驗上實現(xiàn)了世界級的突破。接下來我們該如何從實驗室的“123”，穿過“456”的“死亡谷”，進入到產業(yè)化的“789”呢?

記者還記得2017年采訪彭練矛院士和張志勇教授時他們的焦慮：一個顛覆性技術，從實驗室到產業(yè)界，中間還需要進行工程化研究，只有工程化、成熟化的技術，產業(yè)界才敢接手。

北京碳基集成電路研究院于2018年9月正式登記成立，它的發(fā)起單位有北京大學、中科院微電子所等多家單位，彭練矛院士擔任院長。業(yè)內人士都知道著名的比利時IMEC(大學校際微電子研究中心)實驗室，早期是由政府投資，現(xiàn)在其80%的收入來自企業(yè)，這個頂級的實驗室對于全球集成電路發(fā)展做出了巨大貢獻。包括英特爾、ARM、臺積電等許多業(yè)界巨頭都是它的客戶，這些巨頭的新技術在進入大規(guī)模生產線之前，其新技術工程化都交給IMEC來完成。碳基集成電路的發(fā)展同樣需要這樣的機構。目前來看，北京碳基集成電路研究院的目標是希望成為碳基集成電路產業(yè)的“IMEC”。

彭練矛對《中國電子報》記者表示：“北京碳基集成電路研究院希望能夠在工程化方向上不斷前進，做技術成熟度由4到8的事情，最終將技術轉給企業(yè)。產業(yè)化和商業(yè)化的事情一定要由公司來做，研究院是做技術研發(fā)的?！?/p>

應該說，這次北京碳基集成電路研究院的“多次提純和維度限制自組裝方法”問世，將碳基技術從實驗室向工業(yè)化推進了一大步，那么下一步還有哪些挑戰(zhàn)，還有哪些“死亡谷”需要穿越?

行業(yè)分析人士對《中國電子報》記者表示：“這是很令人興奮的事情，但是從論文到新技術再到產品到商品有很長的路要走，需要進一步加大研發(fā)。目前已經有很多新材料被研發(fā)出來，包括氮化鎵、碳化硅等，但從長期來看，硅還是難以被取代的?！?/p>

半導體業(yè)內分析人士韓曉敏認為，碳基是集成電路重要發(fā)展方向之一，但是目前產業(yè)生態(tài)中愿意跟進的企業(yè)還不多。還需進一步突破成本限制，在設備和器件等工藝方面還需建立成熟的規(guī)范流程，在產品方向上，與硅基芯片結合不緊密的領域有望最先突破。

從實驗室到產業(yè)化，中間的“死亡谷”有哪些“陷阱”和挑戰(zhàn)?本源量子是中國一家量子計算領域的創(chuàng)業(yè)公司，本源量子副總經理張輝在接受《中國電子報》記者采訪時表示，從科研品到工業(yè)品，其中面臨的挑戰(zhàn)包括資金的持續(xù)保證、理念的轉變以及與現(xiàn)有產業(yè)的兼容等?！芭c現(xiàn)有產業(yè)的兼容至關重要，如果現(xiàn)有半導體產業(yè)從儀器、設備、工藝流程上可大部分借用，那么將大大提升產業(yè)跟進的速度。”他說。

事實上，硅基集成電路產業(yè)之所以有今天的豐富、成熟生態(tài)，每一個環(huán)節(jié)都投入巨大。英特爾每年的研發(fā)投入占銷售收入超過20%，臺積電過去5年的研發(fā)投入是3440億元。也正是因為如此，產業(yè)鏈很難“棄硅另起爐灶”，所以兼容至關重要。

那么硅基生態(tài)鏈上相關技術與工藝設備流程，比如光刻機、軟件設計工具、測試儀器、生產工藝流程等，在碳基上是否能用?彭練矛院士給出的答案是：“使用率大約能達到80%~90%，但碳管材料的清洗、刻蝕等步驟需要特殊處理，碳管器件的模型需要單獨建立?！?/p>

目前解決了碳納米材料的純度、密度問題?！跋乱徊竭€需要確保材料的工藝穩(wěn)定性和均勻性，更重要的是和其他器件和IC制備的良好兼容性，這是一個綜合的事情。現(xiàn)代芯片制備有上千個步驟，其中一步做不好，就沒有好的產品。最后是一個系統(tǒng)優(yōu)化的問題，材料、器件、芯片設計等密不可分?！迸砭毭f。

碳納米管未來有很好的應用前景?！坝捎谔蓟馁|的特殊性，它能讓電路做到像創(chuàng)可貼一樣柔軟，這樣的柔性器械如果應用于醫(yī)療領域，將使患者擁有更加舒適的檢查體驗;在一些高輻射、高溫度的極端環(huán)境里，碳基材質所制造出的機器人可以更好地代替人類執(zhí)行危險系數(shù)高的任務;碳基技術若應用到智能手機上，因其擁有更低的功耗，將使待機時間延長?！睆堉居孪蛴浾呓榻B說。

5月26日，北京碳基集成電路研究院舉行成果發(fā)布儀式。TCL等幾家大企業(yè)的工業(yè)研究院相關人員也有到場，工業(yè)界關注的焦點是什么?“工業(yè)界還是關注技術何時能夠成熟到可以被使用，包括成本和可靠性等工程問題?！迸砭毭硎?，這本就是企業(yè)該做的。

而工業(yè)界很難在一項技術還沒看到投資回報時進行投入，如果碳基技術想要工程化，需要北京碳基集成電路研究院成為碳基領域的“IMEC”。記者了解到，如果要繼續(xù)往前推進，北京碳基集成電路研究院按照200人的規(guī)模，再加上實驗平臺，每年需要的資金約為2億元，并且需要確保十年以上的資金投入，約為20億元。但是直到現(xiàn)在，還沒有企業(yè)關注到該研究院的價值。

不久前，阿里巴巴宣布未來3年將投入2000億元來研發(fā)芯片、云操作系統(tǒng)等，而騰訊云宣布將投入5000億元進行新基建相關技術的研發(fā)。在云計算的競爭越來越激烈的當下，從云操作系統(tǒng)到芯片全線布局，正在成為越來越多的巨頭的選擇。目前阿里巴巴已經有了“平頭哥”這家芯片公司，那么未來騰訊有沒有可能也會進入芯片領域呢?如果有可能，期望中國的巨頭企業(yè)能夠看到這樣的信息，能夠關注到“碳基”集成電路的新機會。

5月31日，受到大基金第二次投資的中芯國際發(fā)布公告表示，大唐及國家集成電路基金的聯(lián)屬公司可能參與建議人民幣股份發(fā)行。記者注意到，在各路資金紛紛涌入半導體行業(yè)之際，前期處于漲幅優(yōu)勢地位的半導體指數(shù)又一次進入調整，兩周跌幅超10%。

各路資本入場

天眼查數(shù)據(jù)顯示，截至5月26日，今年以來我國共新增20021家經營范圍含“芯片、集成電路、MCU（微控制單元）”的企業(yè)，5月以來則新增3922家。另外，新增注冊資本方面，5月至今，國內便有248家前述三類半導體企業(yè)新增注冊資本，其中增資額在千萬元級的不在少數(shù)。

與此同時，還有不少上市公司紛紛跨界半導體產業(yè)，如太龍照明、天通股份、木林森、中潛股份、正業(yè)科技等。

半導體企業(yè)的快速擴張同時，各路資本紛紛加大對半導體行業(yè)的投入。如比亞迪5月底公告表示，旗下比亞迪半導體以增資擴股的方式，引入了紅杉中國基金等多家國內外投資機構合計19億元的戰(zhàn)略投資，投后估值近百億元。

值得注意的是，大基金一期已投資滬硅產業(yè)、雅克科技、安集科技等半導體材料公司。國家集成電路產業(yè)投資二期股份有限公司注冊資本達2041.5億元，較一期的1327億元的投資規(guī)模明顯加大。

天風證券分析，從中長期維度上看，擴張半導體行業(yè)成長的邊界因子依然存在，下游應用端以5G/新能源汽車/云服務器為主線，具體到國內市場，“國產替代”下的 “成長性”優(yōu)于“周期性”。

泊通投資最新策略觀點認為，從歷史角度來看，我國半導體等高端科技和高端制造板塊的發(fā)展，預計將是螺旋上升的趨勢。在此背景下，半導體等相關板塊最好的投資策略應當是在不景氣的周期里以相對低的估值買入，同時在高估值、高預期的環(huán)境里適當兌現(xiàn)，做“螺旋上升”的投資邏輯，并關注目標公司的自由現(xiàn)金流折現(xiàn)情況。

國信證券提醒，半導體產業(yè)是涉及多方面的，國產化的第一步是先擺脫“卡脖子”，然后才是全方位國產化。

“市場對芯片設計、半導體設備的認識已經很充分。而對半導體制造環(huán)節(jié)認識不夠，資本市場對半導體制造是被動型忽視的?！眹抛C券認為。

簡單來說，整個芯片要做出來包括了四個重要的步驟：設計、制造、封裝、測試。目前行業(yè)的大部分觀點認為，在芯片設計方面，華為海思和紫光展銳已逐步走向了前列，能與高通、聯(lián)發(fā)科等看齊。

芯片國產化替代非一蹴而就

國內半導體行業(yè)自主可控是一大趨勢，但真正實現(xiàn)有一段較長的路要走。半導體領域是一個復雜精細而又分工明確的行業(yè)。所謂的四個環(huán)節(jié)，就需要全球各地眾多公司協(xié)同完成，即使是上述榜單中提及的全球前十位的半導體制造商，并非所有都能自己設計+制造芯片。據(jù)了解，目前在全球，能自己完成設計與制造的廠商只有少數(shù)，例如英特爾、德州儀器和三星。

相信不少人都聽說過ARM。在絕大部分移動電子產品，如智能手機芯片就采用ARM架構，各大公司高通、蘋果、華為等芯片制作前都必須經過ARM公司授權。由此可見，“全國產化”并不是投資幾臺設備就能達成。

話說回來，中國半導體銷售額占全球市場的三分之一，是最大的市場。隨著5G、物聯(lián)網、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產業(yè)的推廣，半導體需求持續(xù)增長。這也是全球芯片“巨頭”不能失去中國市場的原因。

6月1日，上交所已受理中芯國際集成電路制造有限公司科創(chuàng)板上市申請，保薦機構為海通證券和中金公司。

招股書顯示，中芯國際本次初始發(fā)行的股票數(shù)量不超過168,562.00萬股，不涉及股東公開發(fā)售股份，不超過初始發(fā)行后股份總數(shù)的25.00%，每股面值0.004美元，募集資金總額高達200億元。實際募集資金扣除發(fā)行費用后的凈額計劃投入3個項目：12英寸芯片SN1項目、先進及成熟工藝研發(fā)項目儲備資金、以及補充流動資金。

Source：公告截圖

其中，“12英寸芯片SN1項目”的募集資金投資額為800,000.00萬元，該項目載體為中芯國際的重要子公司中芯南方。中芯南方成立于2016年12月，該項目規(guī)劃月產能3.5萬片，已建設月產能6000片，是中國大陸第一條FinFET工藝生產線，也是中芯國際14納米及以下先進工藝研發(fā)和量產的主要承載平臺。

募集資金將用于將該生產線的月產能從6000片擴充到3.5萬片。中芯國際表示，14納米是中國大陸已量產、最先進的集成電路晶圓代工工藝，14納米以下工藝目前在中國大陸尚處于研發(fā)階段，繼續(xù)完善14納米工藝并開展14納米以下工藝技術研發(fā)，對于進一步保持并提升公司在中國大陸集成電路晶圓代工領域的技術領先優(yōu)勢具有重要意義。

而先進及成熟工藝研發(fā)項目儲備資金項目的募集資金投資額為 400,000.00萬元，用于工藝研發(fā)以提升公司的市場競爭力。

6月1日，上交所官網披露，正式受理了盛美半導體設備（上海）股份有限公司（下稱“盛美半導體”）的科創(chuàng)板上市申請。

資料顯示，盛美半導體成立于2005年，主要從事半導體專用設備的研發(fā)、生產和銷售，主要產品包括半導體清洗設備、半導體電鍍設備和先進封裝濕法設備等，盛美半導體由半導體設備供應商ACM RESEARCH INC（以下簡稱“美國ACMR”）出資設立。美國ACMR于1998年1月在美國加利福尼亞州成立，并于2017年11月在美國納斯達克上市。

在股東結構方面，持股股數(shù)前五名的股東分別為美國ACMR持股數(shù)量為35,769.23萬股，持股比例為91.67%；芯維咨詢持股數(shù)量為475.62萬股，持股比例為1.22%；上海集成電路產投持股數(shù)量為461.54萬股，持股比例為1.18%；浦東產投持股數(shù)量為461.54萬股，持股比例為1.18%；海通旭初持股數(shù)量為230.77萬股，持股比例為0.59%。

總結報告指出，美國ACMR為控股型公司，除了持有盛美半導體股權外，還持有ACM Research (Cayman), Inc 100%的股權，而美國ACMR和ACM Research (Cayman), Inc均未實際從事業(yè)務。2019年6月，美國ACMR官方宣布，尋求在未來三年內將其位于上海的主要運營子公司盛美半導體在科創(chuàng)板上市，并擬引入第三方投資者。

招股書顯示，盛美半導體本次公開發(fā)行股票數(shù)量不超過4335.58萬股，占發(fā)行后公司總股本的比例不低于10.00%，擬募資18億元，用于盛美半導體設備研發(fā)與制造中心（7億元）、盛美半導體高端半導體設備研發(fā)項目（4.5億元）和補充流動資金（6.5億元）。 盛美半導體稱，A股股票上市后，將與該公司控股股東美國ACMR分別在科創(chuàng)板和美國納斯達克股票市場掛牌上市。

其中，盛美半導體設備研發(fā)與制造中心項目總投資額為人民幣88,245萬元，擬使用募集資金投入70,000 萬元。擬在上海臨港新片區(qū)新建半導體集成電路設備研發(fā)與制造中心，項目實施主體為公司全資子公司盛帷上海。該項目將于 2023 年投入使用，公司全部產能將遷移至該新建研發(fā)制造中心，為公司今后的快速發(fā)展打下堅實的基礎。

盛美半導體高端半導體設備研發(fā)項目總投資額為人民幣45,000.00，擬使用募集資金投入45,000.00。將圍繞盛美半導體躋身綜合性國際集成電路裝備企業(yè)第一梯隊行列的戰(zhàn)略目標，針對更先進的工藝節(jié)點，利用現(xiàn)有研發(fā)體系，開展半導體清洗設備、半導體電鍍設備、先進封裝濕法設備，以及無應力拋光設備、立式爐管設備等高端工藝設備的升級迭代和產品拓展，從而擴展和建立起濕法和干法設備并舉的種類齊全的產品線。

集成電路，又稱芯片，是絕大多數(shù)電子設備的核心組成部分，被譽為“工業(yè)糧食”。它不僅在智能手機、電視機、計算機、汽車等電子設備方面得到廣泛的應用，在軍事、通信、遙控等方面也不可或缺，對5G、人工智能、物聯(lián)網、自動駕駛等都是必不可少的基礎。

然而，芯片制造又是世界上最為復雜的制造業(yè)。以采用了20納米工藝的蘋果A8手機芯片為例，其在不足指甲蓋大小的空間里，包含了20億個晶體管結構，內部猶如一座超級城市。所以芯片被業(yè)界稱為“集人類超精細加工技術之大成”。

一個小小的芯片，是如何誕生的呢？在廣州市黃埔區(qū)中新知識城，有一家芯片制造企業(yè)——廣州粵芯半導體技術有限公司，擁有廣州第一條12英寸芯片生產線，也是廣東省及粵港澳大灣區(qū)目前唯一進入量產的12英寸芯片生產平臺。昨日，記者采訪了粵芯半導體市場及營銷副總裁李海明博士。

芯片制造“點沙成金”五步走

1.打造地基——晶圓

硅是芯片最重要的基礎材料，是地球上第二豐富的資源，但更多以二氧化硅，也就是沙子的形態(tài)儲存在地球上。制造芯片，首先要從二氧化硅提煉出高純度的硅晶體，制成硅錠，再切割成薄脆的圓盤形狀，拋光后形成晶圓，這相當于芯片的“地基”。

李海明說，12英寸晶圓是指晶圓的直徑為12英寸，其他常見的晶圓尺寸，還有8英寸和6英寸?！熬A尺寸越大，在同一個圓片上生產切割的芯片就越多，但同時對材料技術和生產技術的要求也會更高。目前粵芯半導體主要生產12英寸晶圓?！?/p>

芯片就是以晶圓為“地基”，在上面“建房子”，把所需的電路和器件“建”在硅片上?！氨热缯f，我們可以在上面沉積一層金屬薄膜，再把這層薄膜刻出圖形，留下一個金屬連線的圖案，也就是我們需要的電路。而在這層圖形上面還可以再做另一層，每層之間還可以做出互聯(lián)?！敝袊茀f(xié)首席科學傳播專家張宇識說。

2.光刻

由于芯片內的距離以納米為單位，在這么小的范圍內布一根根超細的電線是不現(xiàn)實的，所以芯片制造需要用到光刻工藝。

首先，在晶圓上涂一層特殊的光刻膠，再將包含數(shù)十億個電路元件的芯片藍圖制作成掩膜，利用光的投影將縮小版的掩膜投影到晶圓的光刻膠膜上。光刻膠膜發(fā)生光化學反應，被光照的地方變得可溶于水，經過顯影清洗后留下的圖案與掩膜上一致。再用特制的化學藥水蝕刻暴露出來的晶圓，蝕刻完成后，清除所有光刻膠，便得到縱橫交錯的電路溝槽。

3.摻雜

所謂摻雜，是通過離子注入，賦予硅晶體管的特性。為了改變某些區(qū)域的導電性，覆蓋著光刻膠的晶圓經過離子束（帶正電荷或負電荷的原子）轟擊后，未被光刻膠覆蓋的部分嵌入了雜質（高速離子沖進未被光刻膠覆蓋的硅的表面），硅里進入了雜質，便會改變某些區(qū)域硅的導電性。

4.薄膜沉積

通過化學或者物理氣相金屬沉積，再重復光刻和蝕刻工藝，進行金屬連接。一個正常運作的芯片需要連接數(shù)以百萬計的傳導線路，包含幾十層結構，每層結構的形成，都離不開光刻和蝕刻。平面上看，像密集交織的高速公路；立體上看，像是擁有許多房間、樓宇的“超級城市”。

5.封裝與測試

封裝環(huán)節(jié)，即把裸片放在一塊起到承載作用的基板上，把管腳引出來，然后固定包裝成為一個整體。封裝后測試，即對已制造完成的芯片進行結構及電氣功能的確認，以保證芯片符合系統(tǒng)的需求。

國產芯片需要補哪些短板

EDA、IP和設計服務

從上述制造工藝開始看出，掩膜，即芯片藍圖的復雜程度，是決定芯片性能的關鍵。

其中，在芯片設計領域，有一家不得不提的“圖紙”提供商——英國ARM公司。它是全球領先的半導體知識產權（IP）提供商，全世界超過95%的智能手機和平板電腦都采用ARM架構，包括蘋果、華為。

根據(jù)自身產品的性能需求，在“圖紙”上進行進一步改造，需要用到專門的設計軟件，統(tǒng)稱為EDA軟件。在EDA軟件全球市場中，德國以及美國技術領先。EDA、IP和設計服務，是整個芯片產業(yè)的技術源頭，也是中國芯片產業(yè)結構中最為薄弱的環(huán)節(jié)。

極紫外線光刻機

制造芯片需要大量精致的光學技術、材料技術以及精密的加工技術。其中的高精度光刻機，更是整個芯片產業(yè)的命門之所在。目前，全球僅有極少數(shù)的光刻機設備廠商能夠研制出高端光刻機，而荷蘭的ASML則擁有全球晶圓廠光刻機設備高達八成的市場份額。

該公司最先進的EUV（極紫外線）光刻機已經能夠制造7納米以下制程的芯片。在這臺光刻機中，每秒在真空環(huán)境中，從底部容器流出5萬滴融化的錫液，激光束照射每一滴液體產生等離子體，從而釋放出更短的波長，產生極紫外線，通過超高精度的反射鏡引導光線。這臺光刻機也被稱為現(xiàn)代工業(yè)的皇冠，是地球上最精密的儀器之一。

去年國產芯片產量達2018億塊

過去幾年，國產芯片產量大增。以2019年數(shù)據(jù)為例，國產芯片產量達到2018億塊，同比增長16%，不過在核心芯片方面自給率仍然很低，不足3%。

“我們和國外領先企業(yè)相比，比如英特爾、三星，大概有2-3個世代以上的差異?！崩詈Ｃ魈寡?，目前粵芯50%以上的原材料晶圓是日本提供的，薄膜、刻蝕、擴散等生產設備的制造技術幾乎都掌握在國外廠商手里。

大灣區(qū)是芯片需求高地

廣東是中國主要的集成電路元器件市場和重要的電子整機生產基地，占據(jù)60%以上的集成電路市場需求。

“粵港澳大灣區(qū)最大的優(yōu)勢是，在這里能找到不同等級的電子產品。從廣州到東莞再到深圳，這一帶是中國重要的消費型電子產品制造發(fā)源地。珠江另一岸，從廣州到佛山、中山到珠海，這一帶又是中國非常重要的大中型家電生產基地。所以，粵港澳大灣區(qū)是所有電子行業(yè)企業(yè)都能夠找到貼近市場、又找到后端應用資源的地方?！崩詈Ｃ髡f。

2018年底，廣州市出臺《加快發(fā)展集成電路產業(yè)的若干措施》，明確將集成電路作為廣州市產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略重點。廣州擁有泰斗微電子、潤芯、硅芯、新岸線、昂寶、安凱等一批集成電路設計企業(yè)，以及興森快捷、安捷利、風華芯電、新星微電子等一批封裝測試企業(yè)，粵芯項目更是填補芯片制造空白。

粵芯半導體逆勢增資

疫情是否對粵芯的生產造成影響？李海明表示，2020年第一季度，粵芯半導體在受到新冠肺炎疫情影響的情況下，超額完成了預計生產出貨目標——首季產出高出預期25%。

今年2月，粵芯半導體二期項目成功擴產簽約，新增投資65億元?；浶景雽w逆勢增資擴產為發(fā)展按下“啟動鍵”的同時，也摁下“加速鍵”，朝著釋放產能、滿足粵港澳大灣區(qū)芯片市場需求的方向加速。

如果硅基走到了盡頭，那么全球半導體產業(yè)必須找到新的材料“續(xù)命”。2009年，半導體技術發(fā)展路線圖委員會(ITRS)將碳基納米材料列入延續(xù)摩爾定律的未來集成電路技術選項，但是在其后的時間里，碳納米材料的研究進展并沒有給業(yè)界交出滿意答卷。

近日，中國科學院院士、北京大學電子學系教授彭練矛和張志勇教授團隊宣布他們把碳基半導體技術從實驗室研究向產業(yè)化應用推進了一大步。5月22日，該團隊在《科學》(Science)雜志發(fā)表《用于高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列》論文，介紹了其最新發(fā)展的多次提純和維度限制自組裝方法。由于解決了長期困擾碳基半導體材料制備的問題，這個方法的成果令業(yè)界振奮，但從實驗室到產業(yè)化還必須經歷漫長的路。

高性能碳納米管的重大飛躍

每一種技術都有它的生命周期，現(xiàn)有的硅基芯片制造技術即將觸碰其極限，碳納米管技術被認為是后摩爾技術的重要選項之一。

相對于傳統(tǒng)的硅基CMOS晶體管，碳管晶體管具有明顯的速度和功耗綜合優(yōu)勢。IBM的理論計算表明，若完全按照現(xiàn)有二維平面框架設計，碳管技術相較硅基技術具有15代、至少30年以上的優(yōu)勢。斯坦福大學的系統(tǒng)層面的模擬表明，碳管技術還有望將常規(guī)的二維硅基芯片技術發(fā)展成為三維芯片技術，將目前的芯片綜合性能提升1000倍以上。

業(yè)界對碳納米管寄予厚望，2017年在臺積電IEDM大會上，臺積電CTO孫元成就報告了關于碳納米管的消息。

但碳管技術“理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感”，碳基在理論上和模擬層面的理想值曾讓IBM和英特爾為此進行了很多年的探索，但是都遇到了瓶頸。2005年，Intel的器件專家發(fā)表論文，結論是無法制備出性能超越硅基n型晶體管的碳納米管器件，其后Intel放棄了碳基集成電路技術。在技術路線上，IBM與英特爾都選擇了傳統(tǒng)的“摻雜”工藝制備碳納米管晶體管。

彭練矛院士和張志勇團隊在2001年進入該領域，選擇了與英特爾IBM不同的另外一條路，發(fā)展了一整套碳納米管CMOS集成電路和光電器件的“無摻雜制備技術”。在2017年首次制備出柵長5納米的碳管晶體管這一世界上迄今為止最小的高性能晶體管，綜合性能比當時最好的硅基晶體管領先10倍，接近了量子極限，該成果的論文發(fā)表在2017年的《科學》雜志上。

2018年，該團隊再次突破了傳統(tǒng)的理論極限，發(fā)展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶體管，能夠滿足未來超低功耗集成電路的需要，為超低功耗納米電子學的發(fā)展奠定了基礎，該論文發(fā)表在2018年的《科學》雜志上。

在今年5月22日發(fā)表在《科學》雜志的論文上，彭練矛院士和張志勇教授團隊闡述了其最新發(fā)展的多次提純和維度限制自組裝方法。這個方法解決了長期困擾碳基半導體材料制備的材料純度、密度和面積問題，純度達到了99.99997%左右，密度從5納米到10納米，每微米100根到200根碳納米管，這個材料基本上具備了做大規(guī)模集成電路的可能性。

在此論文發(fā)表后，杜克大學教授Aaron Franklin說，10年前他幫助IBM公司確定了碳納米管純度和密度的目標，當時很多人認為這無法實現(xiàn)?，F(xiàn)在彭練矛和張志勇團隊實現(xiàn)了突破，“這確實是一項了不起的成就，是高性能碳納米管晶體管的重大飛躍?！盇aron Franklin表示。

北京碳基集成電路研究院的技術人員向記者表示，碳基技術有著比硅基技術更優(yōu)的性能和更低的功耗，性能功耗綜合優(yōu)勢在5到10倍，這意味著碳基芯片性能比相同技術節(jié)點的硅基芯片領先三代以上。比如采用90納米工藝的碳基芯片有望制備出性能和集成度相當于28納米技術節(jié)點的硅基芯片;采用28納米工藝的碳基芯片則可以實現(xiàn)等同于7納米技術節(jié)點的硅基芯片。這為已經走在極限值邊緣的全球半導體產業(yè)打開了另外一扇大門。

對于彭練矛院士團隊的突破，元禾璞華管理合伙人、投委會主席陳大同表示：“彭院士團隊對于碳基半導體的研究絕對是世界級原創(chuàng)性技術，具有前瞻性，未來在半導體材料和芯片領域有非常大的優(yōu)勢和機會?！?019年，中國科學院微電子所葉甜春所長在參觀完4英寸碳基半導體實驗線時曾表示：“碳基半導體的研究和工業(yè)化實踐是中國第三代半導體產業(yè)中不可缺少的一個重要組成部分?！?/p>

碳基半導體需穿越“死亡谷”

世界的進步需要科學家不斷發(fā)現(xiàn)新物質規(guī)律和新理論，但從一扇窗變成一條新路，需要龐大的創(chuàng)新鏈齊心協(xié)力。在硅基的技術路線上我們一直跟隨，在碳基路線上中國科學家已經從理論和實驗上實現(xiàn)了世界級的突破。接下來我們該如何從實驗室的“123”，穿過“456”的“死亡谷”，進入到產業(yè)化的“789”呢?

記者還記得2017年采訪彭練矛院士和張志勇教授時他們的焦慮：一個顛覆性技術，從實驗室到產業(yè)界，中間還需要進行工程化研究，只有工程化、成熟化的技術，產業(yè)界才敢接手。

北京碳基集成電路研究院于2018年9月正式登記成立，它的發(fā)起單位有北京大學、中科院微電子所等多家單位，彭練矛院士擔任院長。業(yè)內人士都知道著名的比利時IMEC(大學校際微電子研究中心)實驗室，早期是由政府投資，現(xiàn)在其80%的收入來自企業(yè)，這個頂級的實驗室對于全球集成電路發(fā)展做出了巨大貢獻。包括英特爾、ARM、臺積電等許多業(yè)界巨頭都是它的客戶，這些巨頭的新技術在進入大規(guī)模生產線之前，其新技術工程化都交給IMEC來完成。碳基集成電路的發(fā)展同樣需要這樣的機構。目前來看，北京碳基集成電路研究院的目標是希望成為碳基集成電路產業(yè)的“IMEC”。

彭練矛對《中國電子報》記者表示：“北京碳基集成電路研究院希望能夠在工程化方向上不斷前進，做技術成熟度由4到8的事情，最終將技術轉給企業(yè)。產業(yè)化和商業(yè)化的事情一定要由公司來做，研究院是做技術研發(fā)的。”

應該說，這次北京碳基集成電路研究院的“多次提純和維度限制自組裝方法”問世，將碳基技術從實驗室向工業(yè)化推進了一大步，那么下一步還有哪些挑戰(zhàn)，還有哪些“死亡谷”需要穿越?

行業(yè)分析人士對《中國電子報》記者表示：“這是很令人興奮的事情，但是從論文到新技術再到產品到商品有很長的路要走，需要進一步加大研發(fā)。目前已經有很多新材料被研發(fā)出來，包括氮化鎵、碳化硅等，但從長期來看，硅還是難以被取代的?！?/p>

半導體業(yè)內分析人士韓曉敏認為，碳基是集成電路重要發(fā)展方向之一，但是目前產業(yè)生態(tài)中愿意跟進的企業(yè)還不多。還需進一步突破成本限制，在設備和器件等工藝方面還需建立成熟的規(guī)范流程，在產品方向上，與硅基芯片結合不緊密的領域有望最先突破。

從實驗室到產業(yè)化，中間的“死亡谷”有哪些“陷阱”和挑戰(zhàn)?本源量子是中國一家量子計算領域的創(chuàng)業(yè)公司，本源量子副總經理張輝在接受《中國電子報》記者采訪時表示，從科研品到工業(yè)品，其中面臨的挑戰(zhàn)包括資金的持續(xù)保證、理念的轉變以及與現(xiàn)有產業(yè)的兼容等?！芭c現(xiàn)有產業(yè)的兼容至關重要，如果現(xiàn)有半導體產業(yè)從儀器、設備、工藝流程上可大部分借用，那么將大大提升產業(yè)跟進的速度?！彼f。

事實上，硅基集成電路產業(yè)之所以有今天的豐富、成熟生態(tài)，每一個環(huán)節(jié)都投入巨大。英特爾每年的研發(fā)投入占銷售收入超過20%，臺積電過去5年的研發(fā)投入是3440億元。也正是因為如此，產業(yè)鏈很難“棄硅另起爐灶”，所以兼容至關重要。

那么硅基生態(tài)鏈上相關技術與工藝設備流程，比如光刻機、軟件設計工具、測試儀器、生產工藝流程等，在碳基上是否能用?彭練矛院士給出的答案是：“使用率大約能達到80%~90%，但碳管材料的清洗、刻蝕等步驟需要特殊處理，碳管器件的模型需要單獨建立?！?/p>

目前解決了碳納米材料的純度、密度問題。“下一步還需要確保材料的工藝穩(wěn)定性和均勻性，更重要的是和其他器件和IC制備的良好兼容性，這是一個綜合的事情?，F(xiàn)代芯片制備有上千個步驟，其中一步做不好，就沒有好的產品。最后是一個系統(tǒng)優(yōu)化的問題，材料、器件、芯片設計等密不可分。”彭練矛說。

碳納米管未來有很好的應用前景?！坝捎谔蓟馁|的特殊性，它能讓電路做到像創(chuàng)可貼一樣柔軟，這樣的柔性器械如果應用于醫(yī)療領域，將使患者擁有更加舒適的檢查體驗;在一些高輻射、高溫度的極端環(huán)境里，碳基材質所制造出的機器人可以更好地代替人類執(zhí)行危險系數(shù)高的任務;碳基技術若應用到智能手機上，因其擁有更低的功耗，將使待機時間延長?！睆堉居孪蛴浾呓榻B說。

5月26日，北京碳基集成電路研究院舉行成果發(fā)布儀式。TCL等幾家大企業(yè)的工業(yè)研究院相關人員也有到場，工業(yè)界關注的焦點是什么?“工業(yè)界還是關注技術何時能夠成熟到可以被使用，包括成本和可靠性等工程問題?！迸砭毭硎荆@本就是企業(yè)該做的。

而工業(yè)界很難在一項技術還沒看到投資回報時進行投入，如果碳基技術想要工程化，需要北京碳基集成電路研究院成為碳基領域的“IMEC”。記者了解到，如果要繼續(xù)往前推進，北京碳基集成電路研究院按照200人的規(guī)模，再加上實驗平臺，每年需要的資金約為2億元，并且需要確保十年以上的資金投入，約為20億元。但是直到現(xiàn)在，還沒有企業(yè)關注到該研究院的價值。

不久前，阿里巴巴宣布未來3年將投入2000億元來研發(fā)芯片、云操作系統(tǒng)等，而騰訊云宣布將投入5000億元進行新基建相關技術的研發(fā)。在云計算的競爭越來越激烈的當下，從云操作系統(tǒng)到芯片全線布局，正在成為越來越多的巨頭的選擇。目前阿里巴巴已經有了“平頭哥”這家芯片公司，那么未來騰訊有沒有可能也會進入芯片領域呢?如果有可能，期望中國的巨頭企業(yè)能夠看到這樣的信息，能夠關注到“碳基”集成電路的新機會。

5月31日，受到大基金第二次投資的中芯國際發(fā)布公告表示，大唐及國家集成電路基金的聯(lián)屬公司可能參與建議人民幣股份發(fā)行。記者注意到，在各路資金紛紛涌入半導體行業(yè)之際，前期處于漲幅優(yōu)勢地位的半導體指數(shù)又一次進入調整，兩周跌幅超10%。

各路資本入場

天眼查數(shù)據(jù)顯示，截至5月26日，今年以來我國共新增20021家經營范圍含“芯片、集成電路、MCU（微控制單元）”的企業(yè)，5月以來則新增3922家。另外，新增注冊資本方面，5月至今，國內便有248家前述三類半導體企業(yè)新增注冊資本，其中增資額在千萬元級的不在少數(shù)。

與此同時，還有不少上市公司紛紛跨界半導體產業(yè)，如太龍照明、天通股份、木林森、中潛股份、正業(yè)科技等。

半導體企業(yè)的快速擴張同時，各路資本紛紛加大對半導體行業(yè)的投入。如比亞迪5月底公告表示，旗下比亞迪半導體以增資擴股的方式，引入了紅杉中國基金等多家國內外投資機構合計19億元的戰(zhàn)略投資，投后估值近百億元。

值得注意的是，大基金一期已投資滬硅產業(yè)、雅克科技、安集科技等半導體材料公司。國家集成電路產業(yè)投資二期股份有限公司注冊資本達2041.5億元，較一期的1327億元的投資規(guī)模明顯加大。

天風證券分析，從中長期維度上看，擴張半導體行業(yè)成長的邊界因子依然存在，下游應用端以5G/新能源汽車/云服務器為主線，具體到國內市場，“國產替代”下的 “成長性”優(yōu)于“周期性”。

泊通投資最新策略觀點認為，從歷史角度來看，我國半導體等高端科技和高端制造板塊的發(fā)展，預計將是螺旋上升的趨勢。在此背景下，半導體等相關板塊最好的投資策略應當是在不景氣的周期里以相對低的估值買入，同時在高估值、高預期的環(huán)境里適當兌現(xiàn)，做“螺旋上升”的投資邏輯，并關注目標公司的自由現(xiàn)金流折現(xiàn)情況。

國信證券提醒，半導體產業(yè)是涉及多方面的，國產化的第一步是先擺脫“卡脖子”，然后才是全方位國產化。

“市場對芯片設計、半導體設備的認識已經很充分。而對半導體制造環(huán)節(jié)認識不夠，資本市場對半導體制造是被動型忽視的?！眹抛C券認為。

簡單來說，整個芯片要做出來包括了四個重要的步驟：設計、制造、封裝、測試。目前行業(yè)的大部分觀點認為，在芯片設計方面，華為海思和紫光展銳已逐步走向了前列，能與高通、聯(lián)發(fā)科等看齊。

芯片國產化替代非一蹴而就

國內半導體行業(yè)自主可控是一大趨勢，但真正實現(xiàn)有一段較長的路要走。半導體領域是一個復雜精細而又分工明確的行業(yè)。所謂的四個環(huán)節(jié)，就需要全球各地眾多公司協(xié)同完成，即使是上述榜單中提及的全球前十位的半導體制造商，并非所有都能自己設計+制造芯片。據(jù)了解，目前在全球，能自己完成設計與制造的廠商只有少數(shù)，例如英特爾、德州儀器和三星。

相信不少人都聽說過ARM。在絕大部分移動電子產品，如智能手機芯片就采用ARM架構，各大公司高通、蘋果、華為等芯片制作前都必須經過ARM公司授權。由此可見，“全國產化”并不是投資幾臺設備就能達成。

話說回來，中國半導體銷售額占全球市場的三分之一，是最大的市場。隨著5G、物聯(lián)網、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產業(yè)的推廣，半導體需求持續(xù)增長。這也是全球芯片“巨頭”不能失去中國市場的原因。

6月1日，上交所已受理中芯國際集成電路制造有限公司科創(chuàng)板上市申請，保薦機構為海通證券和中金公司。

招股書顯示，中芯國際本次初始發(fā)行的股票數(shù)量不超過168,562.00萬股，不涉及股東公開發(fā)售股份，不超過初始發(fā)行后股份總數(shù)的25.00%，每股面值0.004美元，募集資金總額高達200億元。實際募集資金扣除發(fā)行費用后的凈額計劃投入3個項目：12英寸芯片SN1項目、先進及成熟工藝研發(fā)項目儲備資金、以及補充流動資金。

Source：公告截圖

其中，“12英寸芯片SN1項目”的募集資金投資額為800,000.00萬元，該項目載體為中芯國際的重要子公司中芯南方。中芯南方成立于2016年12月，該項目規(guī)劃月產能3.5萬片，已建設月產能6000片，是中國大陸第一條FinFET工藝生產線，也是中芯國際14納米及以下先進工藝研發(fā)和量產的主要承載平臺。

募集資金將用于將該生產線的月產能從6000片擴充到3.5萬片。中芯國際表示，14納米是中國大陸已量產、最先進的集成電路晶圓代工工藝，14納米以下工藝目前在中國大陸尚處于研發(fā)階段，繼續(xù)完善14納米工藝并開展14納米以下工藝技術研發(fā)，對于進一步保持并提升公司在中國大陸集成電路晶圓代工領域的技術領先優(yōu)勢具有重要意義。

而先進及成熟工藝研發(fā)項目儲備資金項目的募集資金投資額為 400,000.00萬元，用于工藝研發(fā)以提升公司的市場競爭力。

6月1日，上交所官網披露，正式受理了盛美半導體設備（上海）股份有限公司（下稱“盛美半導體”）的科創(chuàng)板上市申請。

資料顯示，盛美半導體成立于2005年，主要從事半導體專用設備的研發(fā)、生產和銷售，主要產品包括半導體清洗設備、半導體電鍍設備和先進封裝濕法設備等，盛美半導體由半導體設備供應商ACM RESEARCH INC（以下簡稱“美國ACMR”）出資設立。美國ACMR于1998年1月在美國加利福尼亞州成立，并于2017年11月在美國納斯達克上市。

在股東結構方面，持股股數(shù)前五名的股東分別為美國ACMR持股數(shù)量為35,769.23萬股，持股比例為91.67%；芯維咨詢持股數(shù)量為475.62萬股，持股比例為1.22%；上海集成電路產投持股數(shù)量為461.54萬股，持股比例為1.18%；浦東產投持股數(shù)量為461.54萬股，持股比例為1.18%；海通旭初持股數(shù)量為230.77萬股，持股比例為0.59%。

總結報告指出，美國ACMR為控股型公司，除了持有盛美半導體股權外，還持有ACM Research (Cayman), Inc 100%的股權，而美國ACMR和ACM Research (Cayman), Inc均未實際從事業(yè)務。2019年6月，美國ACMR官方宣布，尋求在未來三年內將其位于上海的主要運營子公司盛美半導體在科創(chuàng)板上市，并擬引入第三方投資者。

招股書顯示，盛美半導體本次公開發(fā)行股票數(shù)量不超過4335.58萬股，占發(fā)行后公司總股本的比例不低于10.00%，擬募資18億元，用于盛美半導體設備研發(fā)與制造中心（7億元）、盛美半導體高端半導體設備研發(fā)項目（4.5億元）和補充流動資金（6.5億元）。 盛美半導體稱，A股股票上市后，將與該公司控股股東美國ACMR分別在科創(chuàng)板和美國納斯達克股票市場掛牌上市。

其中，盛美半導體設備研發(fā)與制造中心項目總投資額為人民幣88,245萬元，擬使用募集資金投入70,000 萬元。擬在上海臨港新片區(qū)新建半導體集成電路設備研發(fā)與制造中心，項目實施主體為公司全資子公司盛帷上海。該項目將于 2023 年投入使用，公司全部產能將遷移至該新建研發(fā)制造中心，為公司今后的快速發(fā)展打下堅實的基礎。

盛美半導體高端半導體設備研發(fā)項目總投資額為人民幣45,000.00，擬使用募集資金投入45,000.00。將圍繞盛美半導體躋身綜合性國際集成電路裝備企業(yè)第一梯隊行列的戰(zhàn)略目標，針對更先進的工藝節(jié)點，利用現(xiàn)有研發(fā)體系，開展半導體清洗設備、半導體電鍍設備、先進封裝濕法設備，以及無應力拋光設備、立式爐管設備等高端工藝設備的升級迭代和產品拓展，從而擴展和建立起濕法和干法設備并舉的種類齊全的產品線。