中科院王曦：物聯網時代的傳感器和材料創新

傳感器是物聯網的重要基石

信息技術經歷了三個發展階段(圖1)。

現在中國的通訊技術發展很快，希望下一步是智能社會的時代。

智能社會就是要把物包括進來，即物聯網(IoT)。

所以在這個領域，傳感器非常重要。

所以半導體下一個創新的領域之一，是摩爾定律如何創新，其中包含傳感器。

當然半導體在物聯網中是一個比較小的領域，但是很重要，它位於最底部，支撐起整個物聯網系統應用的大產業。

據預測，與物聯網相關的半導體硬體在2020年大約有300億美元，其中傳感器在150億美元左右。

傳感器儘管小，但是應用非常廣。

最典型的就是在上世紀七八年代的汽車應用，當時因為汽車的門檻較高，另一方面我國汽車工業發展沒那麼迅速，所以汽車裡面的分立元器件，尤其是傳感器比較少。

今天回過頭來我們整理髮現，汽車裡有大量的傳感器(圖2)，尤其現在ADAS(高級輔助駕駛系統)需要很多各種各樣的傳感器。

現在大家比較熟悉的一個領域是智能終端/智慧型手機。

由於智能終端的出現，傳感器的需求呈爆發性增長。

再有，我們迎來了巨大的物聯網產業。

物聯網產業的先頭兵——可穿戴設備，例如智能手環可以測量你的健康參數等。

具體到巨大的物聯網時代實現萬物互聯，市場機會更大。

智慧型手機一代代發展，其MEMS傳感器是不斷增加的。

MEMS傳感器首先是由大的外國手機品牌推動起來，今天中國的手機廠商實力越來越雄厚，他們智慧型手機中的有些傳感器甚至是領先於國外大廠商的。

中國在MEMS市場裡的一類份額如圖3所示。

深藍色部分是中國手機廠商。

過去一段時間裡，主要是三星、蘋果主導，但是從2011年開始，中國的手機廠商占MEMS傳感器市場份額不斷增加，從2011年的9%，到2012年17%，2013年21%，2014年的23%，2015年30%。

相信隨著時間的推移，下一步份額還會更高。

反過來說，我們的傳感器需要創新，來推動智慧型手機更加智能化，最終實現物聯網時代的智能化。

國內MEMS研發平台概況

在中國的MEMS生態系統還不是非常健全。

中國有個特點，越往後端越發達。

上海微技術工業研究院(SITRI)處於中間的開發鏈條，可以作為研發到產品之間的工程化、產業化的橋樑。

SITRI過去在MEMS方面做了30年，做得比較系統。

國內MEMS實驗室主要有三個：清華、北大和SITRI。

MEMS設計公司(fabless)不少，目前集中在長三角，中國的其他區域也非常多，這些設計公司規模還比較小，往往沒有採用非常大型的企業研發平台在開展工作，但是真正需要把它規模化、量產化需要一個比較好的平台。

目前在中國有幾個MEMS研發平台，一家在蘇州，規模較大，剛開始不久，有一定的測試和封裝的能力;無錫有一家測試平台。

在上海，上海政府支持上海微技術工業研究院(SITRI)建立一條8英寸的完整MEMS研發供給線，這條線一旦建成以後，可為設計公司和代工廠(foundry)提供有力的研發支撐。

實際上，美國也存在科研轉化為產品的問題。

從2014年至今，美國已建6個先進研究院。

所謂的「死亡之谷」、「缺失的貝爾實驗室」、「產業工地」，從技術上看，圖4左邊是研究所、大學，右邊是產業界，需要中間的開發(development)橋樑。

因為美國企業的研發能力比較強，但是歐巴馬認為，美國仍然存在這個問題，需要把中間的鴻溝填補起來，這是SITRI等中國很多研究院的使命。

因為技術有一個成熟度，在技術研究階段，需要證明這個技術可行性，屬於前期，這是研究所、大學的事。

但是要把它變成一個最終的產品，包括技術的中試，包括一些子系統的實驗，都是處於中間階段。

最終企業把它變成產品、推向市場。

SITRI有8英寸的研發中試線，包括MEMS、矽光子等等，設備較為齊全。

同時後端有合作夥伴——華虹宏力的生產線對接。

SITRI作為產業之間的橋樑，加入了很多工業聯盟，同時也在上海嘉定建立了「物聯網晶片產業園」，作為推動傳感器、微能源、物聯網的一個基礎。

在傳感器領域，在上世紀70年代，汽車領域這波浪潮我們基本沒趕上。

到了2006、2007年的智慧型手機時代，手機里的分立元器件(傳感器、核心器件)浪潮也沒趕上。

我們希望在物聯網大潮里，中國的與傳感器相關的晶片可以「More than Moore(超越摩爾定律)」。

材料

做MEMS要做材料，SOI(絕緣層上矽)是做MEMS傳感器襯底一種選擇，好處是結構比較簡單。

SOI材料不僅僅是在MEMS市場用，另外在RF(射頻)上用處很大，可以用於手機的射頻前端。

傳統的GaAs(砷化鎵)也做了一些射頻元器件，比如開關，現在射頻前端的SOI(新材料)占了很大的比例。

我們正好也趕上了這一波，一方面本身是手機發展、量大，再一個手機里的SOI取代砷化鎵，如果在物聯網中，這個需求量更大。

因此我們面臨了非常好的機遇，我們的材料在這方面有非常好的前景。

半導體的發展，到了20納米以後，有兩條發展路線：一個採用三維的FinFET，一個採用SOI二維結構。

到今天，Intel等繼續使用三維的電晶體結構，發展還不錯。

另一波人，包括IBM和ST等推動二維SOI結構。

應該說這是個分水嶺，中國，我認為如果走前一條，永遠是跟隨，不可能超越;但是如果走第二條路線，半導體體矽變化，中國有機會彎道超車。

SOI晶片很重要的一點，過去這種誇大摩爾定律，以為平面CMOS到了盡頭，其實不然，我們可以比較多地降低體矽CMOS製造的成本，我們可以用28納米做22納米的事，進一步降低成本，同時也會延長28納米壽命。

這對物聯網的應用是非常有幫助的，再一個SOI的功耗降低，這也是物聯網最需要的。

最近，我們跟世界上最大的SOI公司Solitec結成了戰略聯盟，來共同推動SOI在中國的推廣。

傳感器發展需要有更廣闊的思路

我國的研究所、高校在過去二三十年做了很多積累，現在通過產業化的推進，已有兩家公司上市。

隨著物聯網時代的到來，還需要我們進一步思考。

例如傳統的老牌企業博世，他們汽車傳感器做得好，當看好消費電子產品的勢頭後，不惜一切代價把消費電子這塊做大，因為它有汽車傳感器的經驗積累，他很有競爭力。

我認為下一步中國傳感器的發展，第三個階段(如圖1)應該跟我們當前的半導體發展結合在一起，要有更廣闊的思路，不是就事論事地開發一個傳感器，包括與系統結合，包括對國際半導體公司的併購重組。

即從傳統的晶片思路來整合各種資源，才能形成規模。

小結

2015年是摩爾定律誕生50周年，半導體發展是無窮無盡的。

SITRI與合作夥伴從事融合創新。

我們認為這是半導體差異化的戰略，因為一味地追求摩爾定律，還是可以走下去，但是確實投入很大。

中國的半導體業實力還不足夠，超過很困難。

我們希望在物聯網時代進行差異化的融合創新，希望傳感器、能源、通信、功率等結合在一起，這裡的創新機會非常多。

通過這些半導體器件的融合創新，來推動物聯網真正智能化的時代到來。

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