回首半導體行業的發展歷程，從 70 多年前一顆小小的晶體管開始，到如今已經以各種形式滲透與每個人的生活密不可分，其發展速度之快讓摩爾定律面臨失效，無論是以硅為基礎的半導體材料，還是光刻機之類的半導體設備，還是存儲芯片的容量大小，幾乎都面臨急需攻克的難題與瓶頸。

回望 2020 年，一些瓶頸正悄悄找到出口，8 個關鍵詞得以詮釋這一年來半導體行業的發展。

一、國產替代

在中美關系緊張的環境下，今年中國半導體市場異常火熱。數據顯示，截止 2020 年 12 月，我國今年新增超過 6 萬家芯片相關企業，較去年同比增長 22.39%。目前全國約有 24.4 萬家芯片相關企業，超 2 萬家芯片相關企業擁有專利。

這是環境和政策雙重作用下的結果，尤為明顯的是，在科創板一周年之時，市值排名前十的公司中，就有包括中芯國際、滬硅產業、中微公司、瀾起科技和寒武紀在內的 5 家公司屬于半導體領域。

在解決人才短缺問題上，也有一些新動作：將集成電路學科設置為一級學科，讓本科畢業生帶 “芯”畢業的 “一生一芯”計劃項目，成立南京集成電路大學，無一不是為國產替代做準備。

也有行業專家參與到 “國產替代”的討論，清華大學微電子研究所所長魏少軍認為，芯片全面國產替代指日可待是口號型的發展，會讓政府遭遇很大的壓力。華潤微電子代工事業群總經理蘇巍指出，“當下國產芯片自給自足率不足三成，中國整個半導體產業鏈發展明顯有短板和不足，但是在功率半導體領域，我們看到它率先進行突圍，與國際一流技術水平差距在縮小。”

二、黃氏定律

在 12 月份的英偉達 2020 GTC China 大會上，英偉達首席科學家兼研究院副總裁 Bill Dally 在演講中稱，如果我們真想提高計算機性能，黃氏定律就是一項重要指標，且在可預見的未來都將一直適用。這是 “黃氏定律”這一命名首次被英偉達官方認可。

黃氏定律具體是指英偉達創始人黃仁勛對 AI 性能的提升做出的預測，GPU 將推動 AI 性能實現逐年翻倍。大會上，Bill Dally 用三個項目說明黃氏定律實現的關鍵，包括實現超高能效加速器的 MAGNet 工具、以更快速的光鏈路取代現有系統內的電氣鏈路、全新編程系統原型 Legate。

幾十年前，英特爾創始人之一戈登 · 摩爾提出了著名的摩爾定律，從經濟學的角度成功預測幾十年來集成電路的發展趨勢，即每 18 個月晶體管數目和性能提升一倍。當下，英偉達作為當下炙手可熱的 AI 芯片公司，其黃氏定律有望引領未來幾十年芯片行業的發展。

三、寬禁帶半導體

寬禁帶半導體即第三代半導體材料，包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）等新興材料，最初其研究與開發主要用于滿足軍事和國防需求。寬禁帶半導體的帶隙大于硅半導體的 2.2e，能夠有效減小電子跨越的鴻溝，減少能源損耗，因此多應有于節能領域，主要是功率器件。今年年初小米推出氮化鎵快充就是寬禁帶半導體的典型用例。

要讓寬禁帶半導體取代硅基，需要克服成本瓶頸，碳化硅和氮化鎵襯底成本過高，使得器件成本高于傳統硅基的 5 到 10 倍，是阻礙寬禁帶半導體普及的主要原因。不過，在技術和工藝的提升下，成本已接近硅基器件。

今年，在各省份的 “十四五”規劃建議稿中，紛紛提及加快布局第三代半導體等產業。寬禁帶半導體成為 2020 年乃至往后幾年里中國半導體產業的重要發展方向之一。

四、8 英寸晶圓

晶圓缺貨是半導體行業常有的現象，但今年受疫情影響以及 5G 應用需求增長，各個代工的 8 英寸晶圓廠產能爆滿，缺貨現象尤為嚴重。臺積電董事長黃崇仁曾在 11 月概括晶圓產能緊張現狀，稱目前晶圓產能已緊張到不可思議，客戶對產能的需求已達到恐慌程度，預計明年下半年到 2022 年下半年，邏輯、DRAM 市場都會缺貨到無法想象的地步。

模擬芯片和功率器件需求持續上漲，與本就現存不多的 8 英寸晶圓廠產線相擠壓，產能持續緊張，另一方面導致包括 MOSFET、驅動 IC、電源管理 IC 等其他需要在 8 英寸晶圓生產的芯片或器件的生產周期延長，市場價格紛紛上漲。

根據 TrendForce 最新調查研究，預計 2020 年全球晶圓代工收入將同比增長 23.8%，為十年來最高，先進節點和 8 英寸產能成為晶圓代工行業競爭力的關鍵。

五、云上 EDA

如果說 2019 年是云上 EDA 概念普及之年，那么 2020 年則是云上 EDA 探索落地之年，無論是 EDA 軟件商、IC 設計企業以及代工廠，都在實踐云上 EDA。

云上 EDA 是指在通過云的方式設計芯片，相比通過傳統的 EDA 工具設計芯片，EDA 云平臺優點眾多，能夠適配 EDA 工具使用需求、擁有大規模算力自動化智能調度以及海量的云資源提供彈性算力支持，直接提升芯片的研發周期和良率，降低芯片設計成本。

全球三大 EDA 提供商之一新思科技目前已經同臺積電共同部署云上設計和芯片制造平臺，幫助臺積電成為首家實現云設計代工廠；亞馬遜 AWS 收購以色列芯片制造商 Annapurna Labs 之后，其 Graviton 和 Inferentia 等芯片，從 RTL 到 GDSII 全都實現云上開發。國內也有包括阿里云在內的云公司提供 EDA 機型配置，平頭哥借助阿里云的全項目上云并結合服務器托管方案，設計上云實現 10% 到 50% 的性能提升。

SoC 設計流程，來源阿里云研究中心&新思科技

對于云上 EDA 的未來，新思科技中國副總經理、芯片自動化事業部總經理謝仲輝看好其發展，認為芯片設計上云將引領芯片行業進入新的良性循環，對于決心投入芯片的互聯網及系統公司而言是機遇，也會讓傳統芯片公司不再局限于芯片的性能和功耗，而是與用戶應用場景緊密結合并提供更好的服務體驗。

六、5nm

5G 落地之年，作為引擎的 5G 芯片固然不可缺席，在移動手機市場上，也迎來在 5nm 戰場上的新一波 5G 芯片之爭。自 2019 年底各大芯片廠首發自家的 5G 芯片之后，2020 年芯片廠商們更執著于推出 7nm 以下先進制程的 5G 芯片，且由外掛 5G 基帶升級到集成式 SoC。

蘋果首發了采用臺積電 5nm 工藝制程的 A14 Bionic，集成 118 億晶體管，但依然是用外掛高通驍龍 5G 基帶。此后華為發布麒麟 9000，成為世界上首個采用 5nm 制程的 5G 手機 SoC，集成 153 億個晶體管。

之后，三星發布 Exyons 1080，采用自家的 5nm 工藝制程和自家的 5G 基帶，以集成式 SoC 的設計進入旗艦行列，將在 ViVO 的新機上首發。

高通驍龍 888 是 2020 年最后一款 5nm 集成式 5G SoC，代號從 875 變 888 表達對中國 5G 市場重要性的認可。驍龍 888 同樣采用三星 5nm 工藝制程，集成全球首款 5nm 5G 基帶驍龍 X60，能夠提供高達 7.5Gpbs 的 5G 商用網絡速度。

今年 5G 芯片的競爭尤為激烈，麒麟 9000 作為國產芯片的代表能夠與國際水平一較高下，不過可惜的是，受中美關系影響的華為，將無法參與下一場競爭。

七、3D 封裝

3D 封裝是一種立體封裝技術，在 X-Y 的二維封裝基礎之上向 z 軸延伸，也是為了突破摩爾定律瓶頸而誕生的一種新技術，在集成度、性能、功耗等方面有一定優勢，設計自由度高，開發時間更短，也是各個芯片廠商爭相角逐的先進封裝技術，在 2020 年競爭進一步升級。

臺積電自 2018 年首度對外公布其系統整合單芯片多芯片 3D 堆疊技術，陸續推出 2.5D 高端封裝技術 CoWoS 和扇出型晶圓技術 InFo，搶占蘋果訂單。今年又針對先進封裝打造晶圓級系統整合技術平臺（WLSI），升級導線互連間距密度和系統尺寸，推出晶圓級封裝技術系統整合芯片（TSMC-SoIC），能夠將先進的 SoC 與多階層、多功能芯片整合，實現高速、低功耗、體積小的 3D IC 產品。

英特爾也于 2 年前首次展示其名為 “Foveros”的 3D 封裝技術，在今年架構日上公布新進展，即 “混合鍵合”技術（Hybrid bonding），以替代傳統的 “熱壓鍵合”技術，加速實現 10 微米及以下的凸點間距，提供更好的互連密度、帶寬和更低的功率。

三星在今年對外宣布了全新的芯片封裝技術 X-Cube3D 已經可以投入使用，允許多枚芯片堆疊封裝，三星稱其能讓芯片擁有更強大的性能和更高的能效比。

八、存算一體

在 AI 算法對算力需求增長的時代，馮諾依曼架構帶來的 “內存墻”問題愈發明顯，即其存儲與計算在物理上的分離，使得計算過程中需要不斷地通過總線交換數據，從內存讀取數據到 CPU，計算后再寫回存儲。由于存儲速度遠低于計算速度，大部分時間和功耗都消耗在總線傳輸上，最終導致傳統芯片算力難以跟上需求。

為解決 “內存墻”問題，基于憶阻器的存算一體技術被提出，從器件研究到計算范式研究，直到今年取得新的進展。

今年 2 月，清華大學微電子所、未來芯片技術精尖創新中心錢鶴、吳華強教授團隊與合作者成功研發出一款基于多陣列憶阻器存算一體系統，以憶阻器替代經典晶體管，打破馮諾依曼瓶頸，以更小的功耗和更低的硬件成本大幅提升計算設備的算力，成為第一款基于憶阻器的 CNN 存算一體芯片。

在 2020 第五屆全球人工智能與機器人峰會（CCF-GAIR 2020）上，清華大學副教授高濱演講時表示，存算一體芯片的下一步將是存算一體計算系統的搭建，在不改變現有變成語言的情況下，計算能效會有百倍到千倍的提升。

責任編輯：PSY