2020年注定是被歷史鐫刻的一年，新冠疫情席卷全球，眾多行業在停滯重啟之后按下了加速鍵，新技術、新應用不斷涌現，5G規模化商用、計算機架構開放、晶圓異構化集成等一系列創新突破紛至沓來。

科技沒有邊界，創新永無止境。進入嶄新的2021年，半導體產業將在何處率先突破？創新趨勢將對產業起到何種促進作用？

仰望星空瞭望科技前沿動態，腳踏實地規劃發展途徑。科技自強從來都不是一句空話，掌握發展大局觀才能更好地打好下一戰。 經過梳理歸納，整理了2021年半導體行業相關的十大趨勢，來一窺未來。

第三代半導體材料大爆發

以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體，具備耐高溫、耐高壓、高頻率、大功率、抗輻射等優異特性，但受工藝、成本等因素限制，多年來僅限于小范圍應用。近年來，隨著材料生長、器件制備等技術的不斷突破，第三代半導體的性價比優勢逐漸顯現并正在打開應用市場：SiC元件已用于汽車逆變器，GaN快速充電器也大量上市。未來5年，基于第三代半導體材料的電子器件將廣泛應用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數據中心等場景。

Arm架構處理器全面滲透

Arm發布專門針對下一代“始終在線”筆記本電腦的Cortex-A78C CPU，可支持8個“大核”，L3緩存增加到8MB。基于Cortex-A78C的CPU芯片將成為高性能PC市場上x86架構CPU的強有力競爭者，蘋果Mac電腦全面采用基于Arm架構的CPU將帶動更多Arm陣營芯片設計廠商進軍PC市場，包括高通、華為和三星。就連x86陣營的AMD據說也在開發基于Arm的處理器芯片，而亞馬遜AWS則在服務器市場驅動Arm架構CPU的增長。在高性能計算（HPC）方面，基于Arm架構的超級計算機“富岳（Fugaku）”贏得全球Top 500超算第一名。

國產替代成發展主線

2020年盡管受新冠疫情及美國打壓等不利因素影響，我國半導體產業還是維持了較高的發展增速，預計全年實現收入超過8000億元，增長率接近20%，進口情況預計也會超過3000億美元，而設計業則為發展最為快速的環節。保守預計國產替代仍舊是2021年國內半導體產業發展主線，并且會加速在重點產品領域和基礎環節的上下游產業鏈協同攻關。美國對華為的打壓將在2021年迎來一段緩和期，預計華為在2021年將能部分恢復和臺積電、高通、聯發科等國際供應鏈伙伴在非先進技術和產品層面的合作。在半導體產業不出現大的系統性風險和變化的情況下，國內半導體2021全年實現20%以上增速應該是大概率事件，整體產業規模有望超過萬億元。

芯片全線緊張持續

目前來看產能供給緊張帶來的缺貨漲價情況已經遍布到行業內很多環節，從代工到封裝到設計，都以轉嫁成本為由，與客戶協商調漲價格。一方面中美關系下一步演進方向還不清晰；另一方面緊缺的8寸產能在短時間內幾乎沒有大規模擴產的可能，因此2021年至少三季度前都會延續產能緊張的局面。預計全球半導體產能緊張的局面還會延續至2021年，甚至在8寸產能上有可能延續至2022年。

3nm工藝節點差異變大

自7nm工藝開始，臺積電和三星Foundry就出現了比較大的路線演進差異。比如，三星7nm（7LPP）更早采用EUV（極紫外光），并將5nm、4nm作為半代工藝；而臺積電繼7nm本身的演進（N7/N7P/N7+）之后，5nm亦開始重要的工藝迭代。2020年4月份，臺積電首次披露3nm工藝（N3）的具體信息。N3是N5工藝之后的又一次正式迭代，預計晶體管密度提升1.7倍（單元級密度在290MTr/mm2左右），相比N5性能提升至多50%，功耗降低至多30%。臺積電N3工藝的風險生產計劃在2021年，量產于2022年下半年開始。考慮到成熟性、功耗和成本問題，臺積電表示N3仍將采用傳統的FinFET結構，不過其3nm工藝本身的進步仍有機會采用GAAFET技術。

系統級封裝（SiP）成主流

芯片封裝技術的發展大致經歷了四個階段：第一階段是插孔元件（DIP/PGA）；第二階段是表面貼裝（SMT）；第三階段是面積陣列封裝（BGA/CSP）；第四階段是高密度系統級封裝（SiP）。目前，全球半導體封裝的主流技術已經進入第四階段，SiP、PoP和Hybrid等主要封裝技術已大規模應用，部分高端封裝技術已開始向芯粒（Chiplet）方向發展。SiP封裝正在從單面封裝向雙面封裝轉移，預計2021年雙面封裝SiP將會成為主流，到2022年將會出現多層3D SiP產品。

FPGA打造AI加速器

自從上世紀80年代Altera和Xilinx開創可編程邏輯器件類型FPGA以來，FPGA已經經歷了幾波巨大的變化。除了其本身固有的可編程靈活性外，網絡連接和數據交換功能使得FPGA成為云計算和數據中心不可或缺的海量數據處理單元，特別是機器學習/AI、網絡加速和計算存儲等應用對FPGA有著強勁的需求，比如SmartNIC、搜索引擎加速器、AI推理引擎等。新興的邊緣計算將掀起新的一波FPGA需求熱潮，包括5G基站和電信基礎設施、邊緣端網關和路由器，以及IoT智能終端等。自動駕駛、智能工廠、智慧城市和交通等將驅動FPGA應用進一步的增長和擴展。

PC處理器性能飛躍

PC處理器在持續長達十多年的性能匍匐之后，竟然于摩爾定律放緩之際，出現了性能與效率的大幅提升，這在半導體行業十分難得。即便是這樣，直到2020年下半年才姍姍來遲的10nm SuperFin工藝，以及Skylake微架構沿用數年的大背景，讓Intel PC處理器性能與效率領先十多年的神話在2020年終結。對消費用戶而言，PC處理器則難得出現了持續2-3年的性能推進小高潮，且此趨勢預計還將推進1-2年。

碳基技術加速柔性電子發展

碳基材料作為制作柔性設備的核心材料，將走出實驗室并制備可隨意伸縮彎曲的柔性電子設備，例如用該材料制作的電子皮膚，不僅機械特性與真實皮膚相似，還有外界環境感知功能。柔性電子是指經扭曲、折疊、拉伸等形狀變化后仍保持原有性能的電子設備，可用作可穿戴設備、電子皮膚、柔性顯示屏等。柔性電子發展的主要瓶頸在于材料——目前的柔性材料，或者“柔性”不足容易失效，或者電性能遠不如“硬質”硅基電子。近年來，碳基材料的技術突破為柔性電子提供了更好的材料選擇：碳納米管這一碳基柔性材料的質量已可滿足大規模集成電路的制備要求，且在此材料上制備的電路性能超過同尺寸下的硅基電路；而另一碳基柔性材料石墨烯的大面積制備也已實現。

數據處理實現“自治與自我進化”

隨著云計算的發展、數據規模持續指數級增長，傳統數據處理面臨存儲成本高、集群管理復雜、計算任務多樣性等巨大挑戰；面對海量暴增的數據規模以及復雜多元的處理場景，人工管理和系統調優捉襟見肘。因此，通過智能化方法實現數據管理系統的自動優化成為未來數據處理發展的必然選擇。人工智能和機器學習手段逐漸被廣泛應用于智能化的冷熱數據分層、異常檢測、智能建模、資源調動、參數調優、壓測生成、索引推薦等領域，有效降低數據計算、處理、存儲、運維的管理成本，實現數據管理系統的“自治與自我進化”。
責任編輯:tzh