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进口依赖强,国产高端仪器难突围,破局之日何时到来?

2022-03-08 15:47:39 庆云紫光
当今时代,科技迅猛发展、芯片量呈几何倍数增长,芯片已经进入融合的时代。从无人驾驶到虚拟现实、从人工智能到云计算、从5G到物联网,一颗芯片上承载的功能越来越多,芯片工艺越来越复杂,新器件类型层出不穷,众多驱动因素的推动对半导体测试技术不断提出新的要求。


行业需要更加面向未来需求的测试系统和方案,来打破传统仪器固有的不足和局限。


以半导体器件测试来看,在先进器件研究过程中,新材料、新结构与新工艺的应用都可能带来未知的变化。研究者不但要关注精确的静态电流电压特性,更希望观察到细微快速的动态行为。同时随着半导体尺寸不断减小,一些现象需要在极短的时间内才能观察到,例如MOS器件的BTI效应,因此,对包括短脉冲测试(PIV)在内的新技术提出了要求。


前不久,概伦电子与北京大学集成电路学院及上海交通大学电子信息与电气工程学院联合研发的新一代高精度快速波形发生与测量套件FS-Pro HP-FWGMK正式发布,填补了其半导体参数测试系统FS-Pro在短脉冲测试的空缺,同时也填补了国内短脉冲测试技术的空缺。


进口依赖强


需求量大,市场也大,但这并不意味着国产仪器已经可以与进口仪器在同一起跑线上竞争。仪器研发的关键技术仍被国外“卡脖子”,自主掌握的核心技术少,高端仪器依赖进口,仍是当前中国科学仪器设备领域的主要现状。


2021年12月30日,广东药科大学云浮校区实验中心进口仪器采购项目招标公告发布,预算金额530.5万元,采购流式细胞分析仪、多功能酶标仪、傅里叶变换红外光谱仪、液相色谱质谱联用仪等教学专用仪器,诸如此类的招标屡见不鲜。


根据百科网数据统计,我国90%以上的科学仪器被国外企业长期垄断,中国一年从国外进口的科学仪器设备更是高达3380亿元。


由于高端科学仪器技术门槛高,研发涉及电子、精密机械、自动控制等诸多领域。因此,高端科学仪器的研发需要大量的技术、人才支持,同时研发人员还要有足够的耐心,毕竟仪器的研发周期很是漫长。


因此,为了保证我国科研、工业事业的发展,进口成为了国人不得已的选择。但是,这也让我国时刻面临着被断供的风险,不得不引人警醒。


高端测试仪器FS-Pro“如虎添翼”


据了解,此次发布的最新一代高精度快速波形发生与测量套件FS-Pro HP-FWGMK由黄如院士在北京大学和上海交通大学的团队与概伦电子联合研发。作为短脉冲测试技术的先行者,黄如院士团队经过了十余年的努力,在实践过程中掌握了一整套短脉冲产生、测量以及分析技术。概伦电子基于其提供的包括测试方法、电路原型、方案框架、版图设计及PIV应用在内的指导意见继续精细开发,满足高增益与高带宽的同时,有效抑制放大电路的非线性失真,最终实现了最小脉宽130ns的高精度测量。




概伦电子FS-Pro半导体参数测试系统


概伦电子的半导体参数测试系统FS-Pro是一款功能全面、配置灵活的半导体器件电学特性分析设备,在一个系统中实现了电流电压(IV)测试、电容电压(CV)测试、脉冲式IV测试、任意线性波形发生与测量、高速时域信号釆集以及低频噪声测试能力。


此次增加短脉冲IV(PIV)技术后,FS-Pro更是如虎添翼,几乎所有半导体器件的低频特性表征都可以在FS-Pro测试系统中完成,可广泛应用于各种半导体器件、LED材料、二维材料器件、金属材料、新型先进材料与器件测试等。


其全面而强大的参数测试分析能力极大地加速了半导体器件与工艺的研发和评估进程,并可无缝的与概伦电子低频噪声测试系统9812系列集成。


据了解,概伦电子噪声测试系统9812系列是全球半导体行业业内低频噪声测试的“ 黄金标准”,为半导体行业先进工艺研发、器件建模和高端电路设计提供了更加完整而又高效的低频噪声测试及分析解决方案,可以满足各种不同工艺平台下半导体器件和集成电路低频噪声测试的需求。FS-Pro快速的DC测试能力进一步提升了9812系列产品的噪声测试效率和吞吐量,性能相较同类型产品获得大幅度提升,并将在噪声测试的业内领先技术扩展到通用半导体参数测试。


基于在产线测试与科研应用方面的优异表现,FS-Pro全面的测试能力在科研学术界受到了广泛关注和认可,已被数十所国内外高校及科研机构所选用,同时也被众多芯片设计公司、代工厂和IDM公司所釆用。


国产仪器研发“卡脖子”


纵观行业现状,测试测量仪器属于高端科研仪器设备,需要长时间积累,特别考验一个国家基础技术的厚度。由于国内本土测量仪器行业起步较晚,主营电子测试测量仪器的企业数量少,发展情况也不尽相同,目前我国的产品结构主要集中在中低端,大部分企业仍处于仿制研发的阶段,仅有小部分企业走向应用研发的转型之路。


根据数据显示,中国电子测量仪器的市场规模由2016年的28.72亿美元增至2021年的50.39亿美元,预计2022年将进一步达到53.14亿美元。面对国内如此巨大的市场需求,以及受国外隐形技术壁垒等因素制约,国内市场仍被掌握在国外仪器仪表厂商手中,高端产品依赖进口,行业类第一梯队公司主要为是德科技((Keysight)、泰克(Tektronix)、罗德与施瓦茨(R&S)等欧美企业。


国内测量仪器与国际水平相比,在产品结构、高端产品的技术水平、市场占有率等方面存在较大差距,亟待国内本土企业填补高端仪器的技术和市场空白。


国产为何难以突围?


一是,门槛高。


作为精密机械、自动控制等学科的集结体,高端科研仪器的技术门槛自然不会低,起步晚、缺乏人才支撑、经验有限的我国想要在这一实现突破谈何容易。


高门槛将我国诸多企业,挡在了高端科研仪器的大门外。


二是,回报低。


高端科研仪器的重要性虽高、研制难度虽大,但市场规模却很是有限,不过百亿元。而且,高端科研仪器行业的竞争格局已经稳固,美国赛默飞独占鳌头,美欧日企业瓜分市场,行业格局撼动。


因此,研发人员砸下大量的研发资金,熬过漫长的研发周期之后,所获得的回报也不多。


低回报使得我国企业,不愿意进入高端科研仪器市场。


以上两大因素,使得我国在高端科研仪器领域迟迟不能突围。目前,国产科研仪器在精度、稳定性、整体指标等方面,都难以成为国外产品的对手。


国产高端测试仪器新突破


在这种情况下,提高企业的研发力度成为了电子测量仪器行业发展的关键点之一。同时伴随着强烈的自主可控需求,国产高端测试测量仪器市场在近几年迎来高速增长。


概伦电子的半导体参数测试系统FS-Pro作为高端测试仪器的代表之一,在先进器件和材料等领域的测试表现非常出色,集 IV、CV、1/f noise及PIV测试等于一体,高精度、低成本、综合的半导体器件表征分析能力灵活满足各种用户的不同测试需求,大大节省了测试设备采购开支。


同时,工业标准的PXI模块化硬件结构,通用的软件平台,内置测量软件提供数百个预定义的测试模板和功能,实现即插即用体验,使FS-Pro成为了半导体器件与先进材料研究方面的得力助手,产品性能直接对标是德科技等行业巨头的高端测试仪器。


近年来,随着半导体行业的快速发展,对测试测量仪器的需求在逐渐扩大。当前中国的半导体测试测量行业在飞速发展中,可以预见的是,复杂的国际关系背景和市场需求的双重驱动下,关键领域的国产化成为竞争焦点,自上而下的产业政策和企业突围将加速自主可控产业链的成长,国产半导体测量仪器迎风口。


随着概伦电子在中高端产品领域取得突破,将会使其成为国内该行业的领头羊,有望引领该领域的国产化替代浪潮。


概伦电子产品布局日臻完善


半导体器件特性测试是对集成电路器件在不同工作状态和工作环境下的电流、电压、电容、电阻、低频噪声、可靠性等特性进行测量、数据采集和分析,以评估其是否达到设计指标。


概伦电子半导体参数测试系统FS-Pro能够支持多种类型的半导体器件,具备精度高、测量速度快和可多任务并行处理等特点,能够满足晶圆厂和集成电路设计企业对测试数据多维度和高精度的要求。半导体器件特性测试仪器采集的数据是器件建模及验证EDA工具所需的数据来源,两者具有较强的协同效应。随着下游晶圆厂客户产能扩张,相关测试需求或将进一步释放。


在制造类EDA工具方面,概伦电子的器件建模及验证EDA工具已经取得较高市场地位,被全球大部分领先的晶圆厂所采用和验证,主要客户包括台积电、三星电子、联电、格芯、中芯国际等,在其相关标准制造流程中占据重要地位。使用该EDA工具生成的器件模型通过国际领先的晶圆厂提供给其全球范围内的集成电路设计方客户使用,其全面性、精度和质量已得到业界的长期验证和广泛认可。


在此基础上,通过半导体器件特性测试仪器与EDA工具的联动,能够打造以数据为驱动的EDA解决方案,紧密结合并形成业务链条,帮助晶圆厂客户有针对性的优化工艺平台的器件设计和制造工艺,不断拓展产品的覆盖面,进一步为概伦电子打造完整的制造EDA流程丰富了现有技术及解决方案。


目前概伦电子主要产品及服务包括制造类EDA工具、设计类EDA工具、半导体器件特性测试仪器和半导体工程服务等。从其产品布局和发展历程来看,概伦电子在具备高价值的落地场景和应用需求的前提下,用相对较短的时间、较小的人员规模和投入,打造了全新的设计方法学和流程,逐渐形成了具有技术竞争力的EDA工具、测试产品和工程服务,并在国际主流市场获得产品验证机会,在多环节和维度上实现了对国际EDA巨头全流程垄断的突破。


此次FS-Pro HP-FWGMK套件的发布是概伦电子与北京大学集成电路学院及上海交通大学电子信息与电气工程学院联合研发的产物,在填补了半导体参数测试系统FS-Pro在短脉冲测试空缺的同时,也代表了国内产学研深度合作的典范。


当前,在国产EDA的发展过程中,人才是关键,创新求变正在重塑新的核心竞争力。EDA核心技术的突破没有捷径可走,需要持续吸引各种人才、加强产学研合作和保持高研发投入,长期坚持技术沉淀,通过客户需求引导,才有可能形成新的突破。


在当前行业背景和发展现状下,概伦电子正在探索以产教融合方式来培养项目和推动EDA技术和人才发展的新模式,携手各界通力合作,共同应对后摩尔时代技术与市场的双重挑战,构建中国EDA产业命运共同体,致力于突破困局并最终实现超越。


未来高端仪器行业市场如何发展?


在由仪器制造大国迈向仪器制造强国的奋进之路中,如何尽快提升高端仪器国产化水平,如何加快发展具有自主知识产权的高端仪器,现已成为仪器行业不容忽视且迫切需要破解的重要问题。统计资料显示,我国仪器制造企业主营业务逾10亿元的不过10来家。以电子测量器为例,全国范围内年销售额逾10亿元企业仅有1家,年销售额逾亿元企业不过数家。尽管在国家相关政策的引导和支持下,我国高端仪器行业得到了快速发展。但是从整体上看,我国的高端仪器行业还是落后于国际先进水平的。核心技术缺乏、高精尖产品严重依赖进口、仪器仪表产品同质化严重、生产工艺落后、研发能力弱、精度不高等问题的凸显,为行业的发展带来了严峻的挑战。2019年我国国产高端仪器产量占比约20%,达到220万台。


加快培育和发展战略性新兴产业是构建国际竞争新优势、掌握发展主动权的迫切需要。我国要在未来国际竞争中占据有利地位,必须加快培育和发展战略性新兴产业,掌握关键核心技术及相关知识产权,增强自主发展能力。





科学仪器拓展了人类认识世界的能力,被称为国家创新驱动发展的"引领者"和"奠基石",经济发展及产业转型升级的"倍增器"和"助推器",同时也是大国博弈的一个有效的"政治筹码"。


近年来,国产仪器技术研究与产品开发已见成效,部分高端仪器业已实现国产化。但由于仪器研发基础较为薄弱、技术积累相对不足、自主研发高端新产品能力不强、关键器部件"空心化"等原因,高端仪器进口依存度高的难题仍未得到有效化解,国产仪器研发制造与国际先进水平相比依然存在一定差距。


在由仪器制造大国迈向仪器制造强国的奋进之路中,如何尽快提升高端仪器国产化水平,如何加快发展具有自主知识产权的高端仪器,现已成为仪器行业不容忽视且迫切需要破解的重要问题。统计资料显示,我国仪器制造企业主营业务逾10亿元的不过10来家。以电子测量器为例,全国范围内年销售额逾10亿元企业仅有1家,年销售额逾亿元企业不过数家。尽管在国家相关政策的引导和支持下,我国高端仪器行业得到了快速发展。但是从整体上看,我国的高端仪器行业还是落后于国际先进水平的。核心技术缺乏、高精尖产品严重依赖进口、仪器仪表产品同质化严重、生产工艺落后、研发能力弱、精度不高等问题的凸显,为行业的发展带来了严峻的挑战。2019年我国国产高端仪器产量占比约20%,达到220万台。


我国科学仪器市场潜力巨大,仪器需求十分旺盛,已经成为世界仪器增长的强劲动力。据不完全统计,我国科研固定资产投资当中仪器设备采购费用约占60%,科研经费投入当中仪器采购费用约占25%。据海关有关数据统计,每年我国从国外引进仪器费用在800亿元左右,并逐年增长。


面对巨大的市场需求和发展空间,我国将着重培养世界有影响力的尖端仪器企业。国家相关科研计划集中使用,集中有限资金,集中科研投入,加强基础保障条件建设,建立国家级仪器研发中心、国家级仪器规模化批量生产基地,按照国家“培育一批尖端科学仪器制造企业”发展战略要求,重点培养世界知名的大型综合仪器企业和有特色的中小仪器企业,打造世界知名的仪器品牌。


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