集成电路全球产业链环节重塑济南能否换道超车
牛昕宇在介绍公司自主研发的芯片产品。
1月11日下午6点，济南高新区港兴三路未来创业广场3号楼的18层灯火通明。这里是山东产研集成电路产业研究院有限公司，公司天花板拉着写有“万众一心，势创辉煌”的横幅，走廊中间显眼处摆放着一张易拉宝，提醒来往员工：“距离CWQ2P50/100芯片投片还剩4天”。这样的“战时”状态，公司上下已经持续了100多天。是的，他们正处于芯片投片的前夜。
2021年是国内集成电路产业“济南发声”的一年。这一年，济南市集成电路产业规模预计将达到88亿元，同比增长76%。其中，集成电路设计业达到50.3亿元，同比增长193.9%。根据近期召开的中国集成电路设计业2021年会发布的数据，济南市集成电路设计业增速排名位居全国主要城市第一名。
当前，全球半导体产业进入重大调整期，国内多地发力集成电路产业，尚处第二梯队的济南能否“换道超车”？风险与机遇并存
中国是全球电子信息产业主要的生产基地，也是全球规模最大、增速最快的集成电路市场。2020年，我国集成电路产业规模达到8848亿元，“十三五”期间年均增速近20%，为全球同期增速的4倍。2021年是国家“十四五”规划开局之年，集成电路产业作为规划重点发展方向，成为各地争相发展的新目标。量子计算、人工智能、大数据等新兴领域带来的应用变革，为集成电路市场创新和产业发展带来新契机。同时，中欧投资协定谈判签订和欧洲17国关于半导体产业联合声明发表，彰显全球产业链创新协作和半导体企业合作交流日益迫切。新形势下，国际产业环境加速变动，为国内企业融入全球半导体产业链提供新机遇。
山东产研集成电路产业研究院有限公司成立于2019年10月，是山东产研院揭牌后孵化的首批企业之一。这家企业的核心是中科院团队，专注于大规模、千万门级高可靠FPGA芯片的全正向自主设计。过去，我国的FPGA通用芯片几乎100%依赖进口，这几年，受全球半导体产业重大调整期影响，FPGA通用芯片供应链紧张，1枚FPGA芯片的价格从100多元暴涨至五六千元，国内出现百亿元规模的市场需求。山东产研集成电路借助山东产研院的支持，迅速集聚起100余人的开发团队，准备抓住这次机遇。
2021年，山东产研集成电路研发出65纳米的FPGA芯片，即将投片的这款FPGA芯片是28纳米。目前，28纳米是国内成熟芯片加工工艺的天花板。
全力突破国产芯片短板
众所周知，计算能力是人工智能的三大基础要素之一，而芯片就是计算能力的基础。据预测，到2022年，全球AI芯片市场规模将达到596.2亿美元，复合年均增长率为57%。当前，全球高性能计算AI芯片市场以美国英伟达公司一家独大，全球企业都在积极参与AI芯片市场的浪潮，中国的科研人员同样在迎难而上，通过底层架构创新来打破技术垄断。
牛昕宇博士是章丘人，2015年拿到英国帝国理工学院博士学位后留校任教一年，次年回国，创办鲲云信息科技有限公司，从事数据流AI计算架构与芯片研发工作。2019年11月19日，世界人工智能融合发展大会在济南举行，山东产业技术研究院与鲲云科技在大会开幕式签署合作协议，双方共建山东产业技术研究院数据流人工智能计算技术研究所、设立山东产研鲲云人工智能研究院有限公司，在数据流AI计算架构与芯片、计算加速设备研制与应用方向开展合作，推动数据流AI计算加速技术的行业落地。
一直在济南与深圳两地奔波的牛昕宇告诉记者，国外龙头的AI芯片技术很成熟，其旗舰产品已开发至7纳米。对标这样的领军者有两条路可走，一条是技术跟随；一条是自主创新，鲲云选择了后者。山东产研鲲云自主研发的数据流人工智能芯片是全球第一家也是迄今为止唯一一家成功量产数据流人工智能芯片的企业，实现了从0到1的技术突破。山东产研鲲云自主研发的CAISA架构为全球第一款数据流AI架构，在同等峰值算力情况下，CAISA架构芯片利用率可高达95.4%，相比国际巨头的同类人工智能芯片，CAISA芯片的在1/3的成本下，可实现1.48-4.12倍实测性能提升。
除了抱有回报家乡的美好愿望，山东省工业门类齐全、AI应用场景需求丰富是牛昕宇“回流”济南创立山东产研鲲云的重要原因，鲲云AI芯片在山东省找到了大量应用场景，目前，已经在加油站、港口、工厂、化工、电力等场景实现了落地应用，并且与国家电网、中国石化、山东电信等客户达成了战略合作，推动产品的规模化落地。
“2021年，我们成功实现了AI芯片的商用，公司的营收增长超过300%，这是特别关键的一步，毕竟，芯片只有真正被客户应用于他们的实际场景，实现落地商用，才有可能被市场广泛接受。”牛昕宇说。
“无中生有”一个行业
芯片设计出来了，马上就能投产吗？并不能。
两年来，山东产研集成电路的负责人贾一平一直在为一件事而苦恼，他们研发的是新型定制FPGA芯片，样片投片、功能测试后，他们与投产之间还隔着一堵墙。“国内芯片加工厂就那么几家，谁能加工定制FPGA芯片？”贾一平说，2021年下半年，在研发28纳米FPGA芯片的过程中，他的难题找到了破解之道，因为山东产研院在芯片设计与芯片生产这两个核心环节的中间，切割出一个“制程工艺”环节。
集成电路设备是人类迄今制造过的最复杂的设备之一。要造出先进的集成电路芯片，需要经过1000多个工艺步骤、涉及上千种材料、用到数百种专用设备，每一种设备和工艺又涵盖几十个学科和工程知识。这一“复杂性”的直接结果是，斥巨资引进芯片生产线之后，都要经过半年至一年的设备调试才能让机器运转起来，也因为这个“复杂性”，生产定制芯片需要加工工艺随之调整。2021年4月，山东产研院设立山东产研微电子技术研究院有限公司，专注开发芯片制程工艺。较为成熟的制程工艺能降低芯片生产的复杂度，节省设备调试时间，更能帮助定制芯片实现量产，并提升芯片功能、降低功耗。
“山东产研院把制程工艺从生产环节中拆分出来，等于独创了一个行业，而我们公司因为近水楼台，成为第一个受益者。”贾一平说，芯片加工环节走向细化是产业发展的必然，大家同属“山东产研系”，让山东产研集成电路有幸成为这一创举的首个受益者。在28纳米FPGA芯片完成设计之前，山东产研微电子已经拿出了这款芯片的制程工艺。目前，贾一平信心满满，只等数日后投片成功，就推动这款芯片走向量产。
“这将帮助我们公司至少提前半年把产品推向市场，这对于我们抢占产业窗口期特别关键。”贾一平说。
全力打造一个生态
集成电路产业的特点是技术和资金门槛极高，要经过漫长的投入期才能看到回报，所以风险始终伴随着产业的变革始终。“风险不可避免，如果我们害怕冒风险而不去尝试，那成功的希望就是零，所以明知有风险也要去做。”山东产研院院长孙殿义说，山东产研院建院两年多，帮助济南乃至山东省布局了很多未来产业，集成电路产业是重要组成部分之一。
高端集成电路产业集群由山东产研院、济南市政府及战略合作伙伴共同建设，通过设立“产业投资基金+特色创新中心集群+专业孵化园区”的全方位产业培育模式，全力打造涉及设计验证、过程仿真、芯片设计、封装测试、关键设备、核心材料和制造工艺先导研究等集成电路全产业链创新生态。截至目前，山东产研院系统布局微电子关键产业链技术创新，突破EDA、设计、IP与制程工艺；建设国际EDA创新中心，支撑概伦电子作为中国EDA第一股成功登陆科创板；集成电路设计实现突破发展，孵化芯片设计企业14家，投片15颗。2021年，山东产研院引入一批集成电路设计企业，投产10余款芯片，实现产值逾10亿元。
济南的集成电路产业在前端的EDA软件环节发展较为成熟，芯片设计环节在飞速发展，在芯片生产环节也有布局。当前，济南市集成电路产业以电子信息产业为基础，以集成电路设计为核心，以产品应用为轴线，在半导体材料研制、通信芯片研发、国产EDA（电子设计自动化）工具研发、国产FPGA（现场可编程门阵列）芯片研发、加解密芯片研发、设计服务和传感器封装领域形成自己的特色，聚集一批优势企业，逐步形成“设计-制造-封测-应用-支撑”于一体的集成电路全产业链发展雏形。
2021年以来，在创新驱动、项目带动和政策促动之下，济南市集成电路产业亮点频出、捷报频传。EDA高性能研发中心投入使用，IC高端载板项目签约，新引入一批集成电路设计企业。
高端集成电路产业集群落户济南，有助于加快构建国际化多媒体芯片科技生态圈，进一步加强与全国各大科研机构及高校院所合作，为济南凝聚和培养人才，预计三年内形成1000人的研发团队，实现百亿元的产业规模，推动产业链整体规模与能级的发展壮大，使济南成为凝聚高层次人才的战略高地、产学研合作创新的重要平台、国内具有突出影响力的集成电路产业基地。“我们希望能用三至五年时间，推动济南从集成电路产业第二梯队跻身第一梯队。”孙殿义说。（本报记者韩霄鹏）
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