2021年半导体发展十大趋势

未来五年，基于第三代半导体材料的电子设备将广泛应用于5G基站、新能源汽车、UHV、数据中心等场景。目前，全球半导体封装主流技术已进入第四阶段，SiP、PoP、Hybrid等主要封装技术已大规模应用，部分高端封装技术开始向核心方向发展。

2020年注定是历史雕刻的一年。新冠肺炎疫情席卷全球。很多行业停滞复苏后，按下加速键，新的技术和应用不断涌现。5G大规模商用、开放式计算机结构、芯片异构集成等一系列创新突破蜂拥而至。

科技没有边界，创新从来没有边界。在新的2021年，半导体行业将在哪些方面率先突破？创新趋势对行业有什么促进作用？

仰望星空，展望科技前沿趋势，切实规划发展路径。科技自强绝不是空谈。只有把握住发展的大局，才能更好的进行下一场战斗。总结整理了2021年半导体行业相关的十大趋势，窥视未来。

第三代半导体材料爆炸

以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体具有耐高温、耐高压、高频、大功率、防辐射等优良特性，但受技术、成本等因素限制，多年来仅在小范围内应用。BAW56E6327近年来，随着材料生长和设备制备技术的突破，第三代半导体的性价比优势逐渐显现，应用市场开放:汽车变频器已使用SiC元器件，GaN快速充电器也大量上市。未来五年，基于第三代半导体材料的电子设备将广泛应用于5G基站、新能源汽车、UHV、数据中心等场景。

Arm架构处理器完全渗透

Arm专门为下一代永远在线的笔记本电脑发布了Cortex-A78CCPU，支持8核，L3缓存增加到8MB。基于Cortex-A78C的CPU芯片将成为x86架构CPU在高性能PC市场的强劲竞争对手。苹果Mac电脑将全面采用Arm架构CPU，更多的Arm阵营芯片设计师将被引入PC市场，包括高通量、华为、三星。据说x86阵营的AMD也在开发基于Arm的处理器芯片，亚马逊AWS推动ArmCPU在服务器市场的增长。在高性能计算(HPC)方面，基于Arm架构的超级计算机Fugaku获得了世界500强。

2021年半导体发展十大趋势

中国已经取代了发展的主线

尽管有2020年新冠肺炎疫情等不利因素和美国的压迫，中国半导体产业仍保持着较高的增长率。预计年收入将超过8000亿元，增速接近20%，进口情况将超过3000亿美元。设计行业是增长最快的环节。保守预测，2021年国内替代仍将是国内半导体产业发展的主线，重点产品领域与上下游产业链在基础环节的合作将加快。美国对华为的压力将在2021年缓解，华为预计在2021年部分恢复与TSMC、高通量、联发科等国际供应链合作伙伴在非先进技术和产品层面的合作。在半导体行业没有重大系统风险和变化的情况下，2021年国内半导体增速超过20%，整体产业规模预计超过万亿元，应该是一个大概率事件。

整个筹码线紧张而执着

目前，产能不足导致的短缺和涨价已经遍布行业内的很多环节，从代理到包装再到设计，涨价都是以成本转移为由与客户协商。另一方面，中美关系的下一步发展方向仍不明朗。另一方面，由于8英寸产能不足，短时间内几乎没有大规模扩大生产的可能性，因此紧张的产能至少会持续到2021年第三季度。预计全球半导体产能短缺将持续到2021年，甚至8英寸产能也可能持续到2022年。

3nm工艺节点差异增加

从7纳米技术开始，TSMC和三星代工厂在路线进展上有很大差异。比如三星7nm(7LPP)采用EUV(极紫外光)，TSMC以5nm和4nm作为其半代技术，在7nm本身(N7/N7P/N7+)演进之后，已经在5nm开始了重要的技术迭代。2020年4月，TSMC首次披露了3nm科技(N3)的具体信息。N3是继N5技术之后的又一次正式迭代。预计晶体管密度将提高1.7倍(单元级密度约为290MTr/mm)，比N5的性能提高50%，功耗降低30%。TSMCN3的工艺风险生产计划在2021年，大规模生产将在2022年下半年开始。考虑到成熟度、功耗和成本等问题，TSMC表示，N3仍将采用传统的FinFET结构，但其3nm技术本身仍将有机会采用GAAFET技术。

系统级封装(SiP)已经成为主流。

芯片封装技术的发展经历了四个阶段:第一阶段是DIP/PGA；第二阶段是表面贴装(SMT)。第三阶段是面阵封装(BGA/CSP)。第四阶段是高密度封装系统(SiP)。目前，全球半导体封装主流技术已进入第四阶段，SiP、PoP、Hybrid等主要封装技术已大规模应用，部分高端封装技术开始向核心方向发展。SiP包装正在从单面包装向双面包装转变。预计2021年双面包装SiP将成为主流，2022年将出现多层3DSiP产品。

用FPGA制作AI加速器。

自从80年代Altera和Xi安开创了可编程逻辑器件型FPGA以来，FPGA发生了很大的变化。除了固有的可编程灵活性外，网络连接和数据交换功能使FPGA成为云计算和数据中心不可或缺的数据处理单元，特别是对于机械学习/AI、网络加速、计算存储等对FPGA要求很高的应用，如SmartNIC、搜索引擎加速器、AI推理引擎等。新兴的边缘计算掀起了FPGA需求的新高潮。包括5G基站和电信基础设施、边缘网关和路由器、物联网智能终端等。自动驾驶、智能工厂、智能城市、交通将进一步增加和拓展FPGA应用。

PC处理器的性能飞跃

PC处理器爬行10多年后，当摩尔定律变慢时，性能和效率大大提高，这在半导体行业是罕见的。即便如此，到2020年下半年，后期的10纳米SuperFin技术和Skylake微结构沿袭了几年的背景，使得IntelPC处理器的性能和效率领先10多年，神话将在2020年结束。对于消费者来说，PC处理器很少有持续2~3年的性能提升高潮，预计这种趋势会持续1~2年。

碳基技术加速了柔性电子技术的发展

碳基材料作为制造柔性设备的核心材料，从实验室出来制造可以自由弯曲的柔性电子设备。比如用这种材料制成的电子皮肤，不仅具有与真实皮肤相似的力学性能，还具有感知外界环境的功能。柔性电子是指经过扭曲、折叠、拉伸后仍保持原有性能的电子设备，可用作可穿戴设备、电子皮肤、柔性显示器等。柔性电子发展的主要瓶颈在于材料——目前的柔性材料，柔性不够，容易失效，或者其电学性能远不如硬硅基电子。近年来，碳基材料的技术突破为柔性电子提供了更好的材料选择:碳纳米管这种碳基柔性材料的质量已经满足大规模集成电路的制备要求，用这种材料制备的电路性能已经超过同尺寸硅基电路，另一种碳基柔性材料石墨烯的大面积制备也已经实现。

数据处理实现自主和自我进化

随着云计算的发展和数据规模的不断指数级增长，传统的数据处理面临着存储成本高、集群管理复杂、计算任务多样化等巨大挑战。面对大量快速增长的数据规模和复杂多样的处理场景，人工管理和系统调整，因此，通过智能方法自动优化数据管理系统已经成为未来数据处理发展的必然选择。人工智能和机械学习方法逐渐广泛应用于智能冷热数据分层、异常检测、智能建模、资源动员、参数调整、压力生成、指标推荐等领域，有效降低了数据计算、处理、存储和运输管理的成本，实现了数据管理系统的自治和自进化。