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2020 年,“新基建”为 5G 按下“快进键”,业界已经通过实际行动,探索 如何让 5G 发挥巨大价值。半导 体行业作为最前沿也是最核心的 ICT 组成部分,更是以“四新”(新产品、新技术、新材料、新工艺)面貌迎接未来。在国际贸易保护主义与科技封锁的大背景下,国产替代的紧迫性日趋显著,尤其在上游及中游的材料、设备以及关键零部件上,亟待突破。这些都是行业现在以及将来面临的挑战与机遇。 


本次“晶芯”在线研讨会的圆桌论坛主题是“新基建,‘芯’机遇”,非常应景时下半导体产业现状。5G 的最大特点是“超带宽、低延时”,超带宽意味着数据交互越频 繁,如何保障信息安全?5G 两大特点为国内芯片企业创造什么新的需求?5G 提出了三大应用场景,而未来最先实现或者可能广泛推广的具体应用是什么?国家在着力部 署新基建,在此大背景下 5G 将为服务于第三代半导体(以 GaN 及 SiC 为主的宽禁带半导体)、存储、物联网等领域的国内企业带来怎样的挑战与机遇? 



为此,主办方很荣幸邀请到中国存储器产业联盟副理事长缪向水教授、西安电子科技大学微电子学院院长张玉明教授、以及清华大学微电子学研究所副所长尹首一教授参与圆桌论坛,并由重庆两江半导体研究院的杨利华董事长担当嘉宾主持。三位专家分别从存储器、宽带以及信息安全等代表不同专业方向的出发,就新基建背景下的 5G 应用前景如AI、物联网、自动驾驶汽车等热点话题分享了各自的看法。 


受限于在线平台的限制,圆桌论坛采用一问一答的方式;尽管专家的专业视角不同,各自观点却隔空碰撞出了火花。笔者如实报道以及百分百呈现会议所有内容,不加以编辑,目的有三 :1)科普,读者可以宏观上认识 5G ;2)建立大局观,利于厂商捋顺思路 ;3)抛砖引玉,希望 有机会深挖下去。



Q1 :我国在 5G 标准化领域处于国际领先地位,但在 支持基站建设的半导体技术、材料、装备与器件方面,我国与国际玩家存在巨大差距。当下 5G 基站建设正在如火 如荼进行,国内芯片企业的机遇和挑战在哪里?


张教授 :我们首先要理解什么是5G !5G 不单纯是从 1G 到 4G 的技术迭代,实际上它代表着一个5G 时代。5G 不是以技术来推动的,而是以应用场景来驱动的新兴产业;因此它的影响辐射很广,不仅是通信设备,还包括IoT、工业自动化、终端消费类乃至整个社会的时代变迁。半导体是 5G 建设的基石,芯片又是半导体发展的核心,因此 5G 将为芯片企业提供更多要求、以及更广阔的市场。 


就如调研报告总结的那样,中国半导体的发展遇到了很多问题,芯片、设备、材料都相对落后。究其原因,中国从改革开放以后将经济建设的重心放在解决基层问题上,对于基础的投入不够。中国虽然赶上了第三次工业革命浪潮(3.0)并将跨入信息化时代,然而中国的工业化 没有改善;因此我们在基础建设方面处于落后挨打的局面。这点大家都可以理解,并认识到中国还需要补课。


在信息化发展过程中,我们的系统在验证国外的芯片,而我们的芯片是在验证国外的材料甚至是装备。中美贸易战开启之后,总体来说,中国整体的生态链发生了很大的变化。国家非常重视,今年抛出新基建的构想。总之,在新基建大背景下,中国半导体有着很大的发展 空间和机遇。 


尹教授 :从目前角度来看,5G 是一个非常宏大的信息系统,它不单纯是过去网络技术的升级,同时还带来了很多应用。我们目前探讨较多的问题是 :5G 发展之后为传统的IT 以及CT 带来什么影响,尤其是过去的通信以 运营商为主,现在一些互联网公司也渗透进来了。过去的 IT 与 CT 巨头会尝试改变,巩固其领先地位,与国内新玩 家展开竞争。可以这么说,从技术延伸到业务运营,都还局限在通信信息领域内部,包括智能化网络运营、智能化网络管理领域。更进一步讲,5G 相对传统 IT 与 CT 超然于物外。因为,5G 提供无时无刻无处不在的宽带技术, 并且带来了新的应用形态,比方说物联网、自动驾驶、工业互联网等。毫无疑问,新的应用形态势必为整个行业带来新的发展机遇。


回顾芯片产业的发展历史,每次芯片产业的大发展都 是信息技术的变革或浪潮推动的。从 PC 机、互联网、移动通信,我们可以发现在这几个浪潮中都涌现了很多集成电路公司。我们现在看到的芯片巨头,大多是在某个浪潮中抓住了机会而成长至今的公司。 


5G 结合人工智能(AI)将给整个产业带来变革。一 方面给产业内的公司提供场景,使之抓住先机成长为新的领军企业 ;另一方面,5G 结合 AI 新兴应用对技术提出新的要求。比方说最近几年经常谈到的计算架构的变化,与新存储器结合的新型计算方式,技术刚出现就得到实用。颠覆性技术的出现也给企业带来成长的机遇,让企业在新 的赛道上抢得先机决胜未来。总而言之,5G 对 IC 产业的 影响是全方位的,也是传统意义上的新来者 ;结合我们 二十多年的技术积累,5G 对于中国企业来说是个难得的 机遇,企业和学术界抓住这个机会就能推动一大步。


缪教授 :从存储的角度来看发展机遇。5G 有三个特点 :高速数据传输(最高达 10Gbps),低延迟(1ms)、且具备千亿级规模的能力。这三点将推动 5G 技术在手机终端、物联网、自动驾驶、无人机等新兴领域的广泛应用。


以下谈谈 5G 对于存储方面的需求。5G 的连接速度 是 4G 的 10~100 倍,这么快的连接速度需要更大的存储容量、更快的存储速度,5G 通讯技术对于存储器的容量 和速度的推动力可谓是巨大的。现在人们经常下载电影, 发现网速不够,等网速上去后又会发现存储速度不够,数据下载后却不能及时存储进去,造成数据拥堵。


在集成电路芯片中,存储器是最大的一个独立分支, 约占 30% 的市场份额。实际上我国存储器芯片有 85~95% 用量是依赖进口的,存在严重的产业安全与信息安全的 隐患。这几年来国家在推动这方面的产业落地。比方说2016 年7月,国家在武汉投资1600亿元(迄今或许增至 2000 多亿元),建设长江存储公司,也是国家存储器产业 化基地。2018 年四季度,32层的3D NAND 量产;2019 年三季度,64 层 3D NAND 量产;2020 年 4 月,长江存 储越过96 层直接成功研发128 层的3D NAND——美光、 三星等巨头并没有在96 层跃迁——从技术角度来看,我 国基本上达到与世界同步水平。长江存储是武汉新芯的子公司,武汉新芯主要生产NOR FLASH。NOR FLASH 占 全球10% 市场份额,2021 年,3D NAND 月产能达10万片规模。这是国家在闪存方面的布局。



此外,在DRAM 方面也有布局,目前合肥长鑫已经 量产,福建晋华,紫光集团也成立了DRAM 事业部,邀 请了刁时京去做董事长。 


目前 5G 市场的发展给存储器芯片带来很大的机遇和挑战,存储器芯片将来成为卡脖子技术,国家也在着力投 入,希望在短时间内迎头赶上。我们正在经历美国技术封锁时期,选择性地提供设备、材料、EDA 工具给中国企业, 美国掌握了很多关键技术,未来我们的产能与产业化进程 会因为美国单方全面禁止而被蹉跎。另外就是专利壁垒, 长江存储虽然实现了每年一个台阶跳跃式发展,但在专利 布局方面与国外巨头差距甚远。价格战是把双刃剑,对于整个产业的影响深远。长江存储在出货之前,美光和三星把价格以一年一倍的涨速推动,在长江存储产品推出后, 又以每年几乎下跌一半的价格打压。



Q2 :5G提出了三大应用场景,增强型移动宽带eMBB、高可靠性低延时 uRLLC、低功耗超大连接 mMTC。超大带宽意味着海量的数据连接。在这条“超带宽、低延时”的信息公路上,我们能预见什么东西在奔跑?


缪教授 :一直以来,政府与国内大型企业在推动信息 高速公路以及信息基础的建设。我们在深圳、北京、上海召开了多次有关信息基础设施的研讨会。高速公路建好之 后到底是什么车在上面奔跑?手机终端、物联网、无人机等等,都是有可能的。但我想手机终端是最快能实现的应用方向。 


手机终端应用对存储器提出新的要求,存储器能否 满足现在以及未来的需求?众所周知,5G 传输速率起步是1G bps,未来可以达到10Gbps ;依照长江存储最近推 出的128 层 3D NAND 存储器容量:9060 每颗是512G、 6070 是 1.33T,换算下来目前业界最快的传输速率是 1.6Gbps@1.2V。因此,1.6Gbps 可能不适合未来5G 手机 终端应用,需要生产更新一代的存储器。 


最近华中科大与长江存储共同研发一种三维相变存 储技术,美光和英特尔称之为 3DxPoint。这种存储器拥有三维堆叠结构,它的数据存储速度比闪存快1000 倍。我 们知道 5G 比 4G 快 100 倍(最大值),而三维相变存储技 术可以做到快1000 倍,因此它可以适合未来5G 甚至是 6G 的应用。同时,三维相变又是一种高存储密度技术, 存储密度也能达到 DRAM 的 10 倍。也就是说,这种被称 作 Universal Serial Bus 或者 Mass Storage Class 的未来存储技术可能拥有闪存的容量以及DRAM 的速度,在容量和 速度之间达到很好的平衡。 


一般手机有几个G 的 DRAM,几百G 的 闪 存。DRAM 容量小速度快,闪存容量大但速度慢。如此,手 机终端或者计算机系统存在很大的差距,因此需要引入一 些新型的存储器介质,使之满足 5G 手机终端需求。这方 面的工作国内外同行都在做并形成竞争,我们希望该项技 术将来用于手机终端,能推动手机在 5G 信息高速公路上 快速奔跑。 


此外,自动汽车驾驶现在也发展得有声有色,可能这 方面的工作跟进很快 ;还有无人机的组网亦是如此。工业 互联网可能是一个未来方向。



Q3 :国内企业在 5G 时代有很多机会,产品规划者需要厘清思路 :该做哪方面的芯片,最先实现的应用场景是什么?未来哪些芯片能与之对应? 


尹教授:从产品角度来看自有其内在规律。站在应 用角度,我非常赞同缪教授的看法,最快的应用是手机 终端和消费类电子。在 3G 之前我们就在讨论,带宽增大 了我们能做些什么?在技术普及之前,我们设想的killer application 其实没能实现大规模应用。比方说,3G 之前 视频电话被视作杀手锏应用,后来视频电话应用却不多 ;当大带宽出现之后,诸如抖音、B 站等短视频平台应用反 而多起来了。其实这些应用很多在技术真正得到推广之前 是没有料想到的。根据我们先前的经验,技术的广泛应用 一般会来源于消费类。因此,当信息高速公路建成之后, 最快的应用可能还是与日常生活相关的消费终端、娱乐等 场景。举个简单例子,手机除了基本通信功能之外,增加了很多娱乐方面的应用,如AI 加入之后很多应用变得十 分有趣,比方说图像的风格迁移、视频编辑以及更丰富的 创作。 


这些因娱乐用户产生的数据会占用信息高速公路的 流量。从这个角度来讲,用户生成的丰富数据会与 5G 铺 展的信息高速公路能很好的结合起来。这些应用暂时还不 能完全设想出来,一旦基础设施架设完成,一定会有更好 的产品、更好的创意形成。


至于车联网与工业互联网,我个人认为工业互联网 会更快一些。早在3G、4G 时期我们就提出machine-tomachine(M2M)系统概念,目前该系统一直未能建成 ;既是应用方面又有技术上的原因,还存在带宽能力不足 的问题。待到 5G 能提供足够的带宽之后,将会给诸多应 用提供想象空间,包括工业互联网用到的分布式工业系 统,以及张教授提到的利用 5G 提高现有制造业信息化水 平,等等。车联网若从技术角度来看无疑会向前走一大 步,但要做好区分工作 :一部分是指车内的信息、娱乐、 消费等相关应用,这部分与手机终端应用有很多共通的 地方,会发展得更快 ;另一部分与真正的自动驾驶相关。自动驾驶汽车(AV)不完全是技术问题,还涉及伦理与 法律法规,这个实施过程会很漫长。这是我对 5G 应用场 景的一些想法。 


那么,5G 应用会驱动哪些芯片的发展?我个人认为 一类是存储类芯片,信息处理方面无论是用户产生数据还 是机器产生数据,最终都需要做处理 ;一部分需要在云端 数据中心进行处理,另一部分则在终端上处理。所以满足 这些数据处理需求的计算类芯片会有新的机会。现在我们 看到的传统类的芯片架构是不能满足像 AI 应用对于算力、 功耗两方面的需求。所以,这两年有较多讨论关于新型的 计算架构。我相信在未来芯片和产品中,AI 一定会受到 关注并成为大有前景的 5G 应用场景之一。



Q4 :“超带宽”给存储芯片带来机会。那么“低延时” 是否也是如此,比方说解决过去 2G、3G 时代报警系统需要很长时间响应的实际工业问题。从 5G 的“低延时”特征作分析,5G 时代最快能形成的应用有哪些?


张教授:中国在去年6 月颁发5G 牌照时,除了三大 运营商我们也给广电发了牌照,目的是利用广电700M 频 段的优势开拓应用市场,这充分说明政府决心从多个领域 推进 5G 商业化的进程。现在看起来最多的应用还是手机终 端,这是最直接的 5G 体验。但是我们看其他国家,美国到 今天还没有推出手机终端,它将 5G 网络的固定带宽转换成 Wi-Fi 信号 ;这是因为美国还没有开放我国投入使用的 S波 段和 C波段,美国5G 主要用毫米波段通信,难度非常大, 这也是美国看上去走得慢一些的缘故,殊途且不同归。在 美国5G 手机相对4G 的意义不是很大,但是Wi-Fi 无线市 场还是比较明确的。中国的 4G/5G 目前还是套用。


回到刚才的话题,5G 是一个大的时代、一个技术阶段。技术与应用是相伴的,技术再先进若产品缺乏应用的支撑, 那就不完美。所以我们刚才提到的 AV、工业互联网、IoT 都在推进,也有可能有着很好的应用前景。套用一名言 :它的优势在于它还未曾被发现。未来5G应用需要再挖掘, 包括我们认为已经开发成熟的手机应用端。5G 商用仍需 加油! 


5G 需要存储、架构、信息的转换与收发,在这里宽 禁带半导体有着很大的发展空间。除了频率高、功率大、 更重要的是它的效率高,这点回应了刚才提及的低功耗相 关问题。因此很多宽禁带半导体相关企业在新基建背景下 都有很好的发展空间。在此过程中,首先需要解决相关知 识产权问题,无论是存储还是宽禁带领域。另外,半导体 是战略性的行业,也是商品化、市场化行业,我们要踏实 地做技术、管理、产品、把控上下游质量,这样才能真正 地支撑我们半导体产业的后续发展。这点至关重要。


Q5 :超大数据流的交互除了体现在数据 通信及数据处理上面,还包括数据存储。之前我们提到 3D 存储,而全闪存储磁盘阵列也是一个方向,它在工业视频监控、高清动态视频数据流的需求很大。过去用硬盘做存储,现在用闪存做磁盘阵列,这将会带来怎样的用户体验?


缪教授 :在存储系统方面,有一种全闪存的存储阵 列,以前大量数据存在磁硬盘上,功耗大、速度慢。现在 是个过渡期,把冷数据放在磁盘上,热数据放在SSD 固 态硬盘上,未来的方向是全闪存阵列。这个存储系统本身 依赖于存储颗粒,SSD 阵列首先要将闪存芯片做出来,所 以国家投入 2000 多亿元来做 3D NAND 闪存芯片。 


未来存储芯片将从材料(3D NAND 颗粒)、配套的控制、软件、设备到 3D NAND 制造、应用,我国有希望 全面贯通整个信息存储产业链。从过去的硬磁盘转换到全闪存的 SSD 阵列,这无疑给下游产业链创造了机会。


Q6 :新基建已拉开帷幕,5G 基站、5G 终端和横向应用将逐次开展。第三代半导体(GaN & SiC)将如何借这阵东风,给国内企业创造更多的机会? 


张教授 :中国的宽禁带与第三代半导体的发展,从研 发开始就与世界处于同步的阶段,无论是GaN 还是 SiC。比方说 GaN LED 我们已走在世界的前列 ;在微波射频方面也做得不错,尤其是有些军工应用。另外,中国的 GaN 及 SiC 技术走的路与国外略有不同 ;无论从专利还是各方 面的表现相对硅半导体要好一些。最后,宽禁带是一种特 殊应用,它的制程要求不太高,国内现有的产线工艺就可 以满足 ;因此它对于国外的设备及材料的依赖性不大,拥 有自主性较高一些。因此,宽禁带半导体是我国半导体行 业与国际水平最接近的领域。 


5G 对于GaN 及 SiC 都有较高的要求,比方说基站, 除了频率、功率之外还要求高效率。在新基建+5G 的带动下,所有企业都有机会,当然我们需要注意人才的培养、 基础的研究、包括产业化的融合。举个例子,西电在 SiC 方面的专利位居全球高校第八名,前七位是美日的企业居 多,他们的专利很容易转化成技术,中国的专利还掌握在 科研单位及高校的手上,即便是转化也需要漫长的时间, 更何况中国的产学研融合能力本身就不够。在此呼吁 :企 业能介入项目的研发阶段,这样会提高专利的实用价值、 产学研更加融合。


总而言之,中国宽禁带半导体企业的机会还是有的, 相信经过大家的努力,还是能支撑整个 5G 的长时间建设 过程。



Q7 :4G 时代用户已经在关注信息安全保障的问题。进入5G时代,“ 超带宽 ” 给信息安全带来更大压力。站在信息安全的角度,5G 将给芯片企业创造什么新的机会? 


尹教授 :从信息安全的角度,无论 5G、4G 还是 3G, 大家对于信息安全的关注度都是一样的。实际上我们在互 联网上的大量信息是缺乏保护的,包括现在的手机终端, 很多信息被传输走了。未来的很多应用包括手机终端以及 工业设备在内,数据都需要通过5G 与云平台进行互联, 因此这个问题将更加突出。 


为此业界已在探索不同的思路。比方说,1)最基本的方法是对数据进行加密,无论在我们的数据终端,还是 云数据中心的服务器上,都需要极强算力的安全芯片。既 然数据要加密,那么随之而来的就是数据解密,这给数据 中心带来很大压力。2)另一种思路就是学术界和工业界正在提出的“同态计算”概念。所谓同态计算,就是在处理信息的过程中,无需对数据进行解密,把经过加密的数 据直接拿来计算。这会带来一定的好处,但对芯片的压力 较大,要求算力极强才能做数据处理。此外,3)这两年兴起的区块链方式,也是解决信息安全的途径之一。当然 区块链是一个分布式系统,它对分布式设备里面的存储、 计算等都会带来新的挑战。就拿比特币来做比较。现在比特币的交易速度或者说是节点的处理速度,还不能满足未来工业互联网中大量机器设备处理互联速度的需求。 


从这些不同方式来看,未来 5G 时代或在新基建大背 景下建设信息中心或更多信息系统时,对于信息安全相关的芯片、 IP 的需求是相当巨大的。无论是基础的信息设施, 还是设施内与信息安全相关应用,都会带给芯片企业以极 大的推动作用。中国近几年对于网络信息安全倾注了心力, 包括在很多关键领域中建立自主可控的体系。我相信随着新基建的推进,定会给整个集成电路行业带来新的机会 ;也希望工业界和学术界能抓住这个机会取得长足的进步, 守护国家与消费者自身的信息安全。



Q8 :在什么山上唱什么歌。请各位专家用一句话概括5G。


缪教授 :5G 技术的推广与使用将极大地推动国产存 储器的发展。 


张教授 :5G 时代希望中国的产学研融合与知识创新 体系能借此东风上升一个台阶。 


尹教授 :5G 会对整个集成电路产业有明显的拉动作 用,也会造就一批有竞争力的企业。


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