我国集成电路供应链安全风险和对策研究

作者:未知

  摘   要:文章以集成电路供应链安全为研究对象,分析了目前我国集成电路供应链在设计、制造、封装、设备、材料等各部分的发展现状和存在的主要问题,提出加强集成电路全生命周期中供应链各环节的安全保障措施和建议,以实现提高我国集成电路供应链安全的目的。
  关键词:集成电路;供应链;安全;风险;生命周期
  1 引言
  集成电路供应链已经延伸至全球范围,目前微软的Windows操作系统和Intel的处理器构成Wintel架构的计算机技术体系,长期以来一直垄断着世界桌面计算机领域,产品供应链非常成熟,并发展出了完善的生态体系。在物流术语中,供应链的定义为“供应链是生产及流通过程中,涉及将产品或服务提供给最终用户活动上游与下游组织所形成的网链结构”,而集成电路供应链从传统的物流运输环节上升到集成电路的采购、设计、研发、生产、存储、运输、销售、维护等全生命周期中的各个环节。
  集成电路供应链安全风险一般有三种来源,第一种是假冒伪劣,集成商为降低成本,使用劣质元器件或芯片代替完好的,或者把不正规渠道获得的产品包装成正规产品投入使用,引发相应的安全问题。第二种是恶意更改,集成电路产品由正规渠道获得,但是在供应链生命周期中被人为将电路原来的设计逻辑篡改、植入某种特殊功能的逻辑部分或者存在某种未知指令,在某种条件下被触发,可能会造成非法窃取重要信息、改变电路功能、控制系统权限、直接造成物理损坏等严重后果。第三种是中断供应,因为政治因素、自然或者人为因素、不正当竞争、关键设备发生故障等中断对集成电路产品或服务的供应。
  2 我国集成电路供应链现状
  我国是世界上最大的芯片进口国,也是全世界芯片需求增长最快的国家,但是由于缺乏核心技术,在电子元器件上严重依赖进口,特别是集成电路进口比例最高,根据中国半导体行业协会提供数据显示,2018年我国集成电路的进口总额达到3120.6亿美元,出口额只有846.4亿美元,进出口逆差达到了2274.2亿美元,并且近几年我国集成电路贸易逆差逐年扩大,特别是高端芯片大部分依赖进口。
  集成电路供应链有着显著的全球化特点,带动了芯片制造各个环节的外包,芯片在一个国家设计,另一个国家流片生产,再在其它国家进行测试和封装已经成为普遍采用的模式。由于工艺能力的限制,我国许多芯片都是在国内设计国外流片,如果芯片被植入某些恶意的逻辑,当前的硬件安全分析技术很难检测出来。集成电路是国家的战略性产业,一旦供应链出现了安全问题,将会严重影响到相关系统的安全。
  经过多年的技术积累,再加上国外引进和国内培育,我国培养出了一批芯片设计、晶圆制造、芯片封装以及测试的典型企业,初步形成了集成电路从设计、流片、封装、测试等全生命周期各环节的生态链。近年来,我国的集成电路中低端产品市场国产化比例逐渐增加,在专用芯片的设计方面进步较快,核心路由器芯片等部分企业产品达到世界先进水平。但是,在嵌入式芯片和高端通用芯片的设计和制造方面,我国与世界先进水平相比还有很大的差距。每年进口的集成电路产品中,有百分之七十以上是CPU和存储器芯片,而国内从事计算机CPU设计的企业在民用领域占比非常小,对科研项目经费和政府补贴的依赖性较强,掌握核心技术的能力薄弱,高端芯片长期依赖进口,加大了我国集成电路安全的风险。
  2019年初,美国政府以供应链安全为名对华为公司展开了新一轮调查,并在同年的5月份将华为列入“实体清单”,要求所有的美国公司向华为出售产品时都必须事前获得许可特批。近两年的中美贸易战使我国核心技术受制于人的局势更加严峻,要改变这种被动局势,确保供应链安全是应对集成电路安全挑战的必然选择。目前,我国的集成电路核心技术尚未掌握,信息类产品关键部件高度依赖于进口,在材料和设备受制于人的情况较为严重的形势下,提高我国的集成电路供应链安全势在必行。
  3 我国集成电路供应链面临的主要问题
  目前,我国集成电路的设计和生产技术与国际先进水平还有一定差距,由于工艺技术水平的短板,我国仅能够生产中低端的芯片,高端精密的芯片研发制造能力薄弱,并且我国集成电路的设计过程中需要把设计放在国外进行流片,或者直接使用第三方提供的IP核,增加了集成电路产品的安全风险。本文对我国集成电路供应链中目前存在的安全问题从设计、制造、封装、设备、材料等方面进行介绍。
  (1)集成电路设计安全问题
  目前,我国的集成电路的设计研发队伍规模相对较小、人才缺乏,设计方法、设计规范和流程等都有待提高。集成电路的开发环境,如EDA等和国外存在较大的差距。
  (2)集成电路制造安全问题
  集成电路制造是我国的薄弱环节,世界范围内集成电路产业从14到28纳米的工艺技术相对成熟,10到14纳米的工艺技术已经进入量产,国际上一些龙头企业正在投资建设5到7纳米的工艺技术生产线。目前,我国集成电路制造企业技术工艺水平主要集中在28纳米以上,仅部分企业达到了28纳米。
  (3)集成电路封装安全问题
  集成电路的封装技术门槛相对较低,我国有一定的技术基础和产业规模,目前没有明显的技术劣势,正在逐渐追赶世界先进水平,部分企业有望达到世界领先水平。目前,封装技术中的3D堆叠、晶圆级封装和凸块技术均被国内厂商广泛采用,但是存在封装成本高和技术创新能力差的问题。
  (4)集成电路设备安全问题
  集成电路的制造设备比较复杂,目前我国集成电路制造设备整体发展速度较快,多种设备实现了零突破。例如等离子刻蚀机、清洗剂等实现了国产,但是硅片制造设备在技术和成品良率方面與国际先进水平相比都有很大差距,晶圆制造设备核心技术还掌握在其它少数国家的手中,国内企业整体还不具备面向先进工艺的成套工艺能力。
  (5)集成电路材料安全问题   集成电路材料具有规模大、技术门槛高、细分领域多的特点,它是集成电路产业的基础,对集成电路制造的技术创新和安全可靠发展起着重要作用。集成电路的材料主要分为晶圆制造材料和封装所用材料。晶圆制造材料包括硅片、特种气体、高纯度化学制剂、光刻胶等。封装材料包括封装基板、引线框架、芯片粘结材料、包装材料等。其中硅片是芯片制作的基础材料,它占芯片成本的30%左右,硅片直径越大,在一块硅片上集成的电路就越多,芯片生产成本相对应越低。但是硅片尺寸越大,对材料、设备、技术的要求会更高。目前,国内对拉单晶技术、单晶氧碳含量、缺陷控制等都存在明显不足,大硅片的生产技术急需提升。在2018年之前,我国从事半导体硅片技术的工作人员在六千人左右,虽然数量在继续扩充,但是目前这些人员的工作经验、技术水平、熟练程度等与国际上大型芯片制造企业的员工有一定差距,技术人才的缺乏成为芯片制造行业面临的一大问题。
  由于全球对硅片的市场需求持续加大,一些国际龙头企业为保障自身技术和产量增加不受影响,与硅片制造企业签订了长期协议,形成紧密合作研发关系,生产定制化的设备,导致全世界范围内的硅片供应愈发紧张。国内企业尚不具备大尺寸硅片的持续供应能力,对于大尺寸硅片来说,我国之前严重依赖进口,并且只能购买没有优化的产品,在这样的大背景下使得我国的硅片企业只能重新独立研发,由于技术进度始终落后于世界先进水平,导致我国集成电路产业面临被境外硅片企业断供的风险。
  总体来讲,我国集成电路的材料各细分领域发展速度较快,在小尺寸芯片、光刻胶、金属靶材等方面取得了一定成绩。但是,我国整体实力偏弱,产品主要集中在中低端,高端产品严重依赖进口,供给能力远未达到我国市场发展需求,是目前制约我国集成电路产业发展的重要一环。
  (6)集成电路供应链其它方面的安全问题
  目前,我国集成电路的核心技术受制于人,技术架构需要国外授权,缺乏自主知识产权技术,材料、设备和国外技术水平相差较大,关键部件严重依赖进口,供应商可替代性差,随时还会受到政治或人为等因素影响,存在断供风险,一些国家和政府严格管制本国集成电路技术的出口和合作,限制外国企业在本国进行技术方面的收购和投资,使中国企業在海外通过并购提升技术水平的方式屡屡受阻,导致我国集成电路供应链存在较高的风险。
  4 提高集成电路供应链安全的对策
  提高集成电路供应链安全,需要厘清芯片供应商、制造商、系统集成商、服务提供商、经销商等多个合作方的角色和职责范围内存在的安全风险。产学研相互结合共同努力,建立成熟的产业生态,提出自主知识产权的标准,在供应链的全生命周期各个环节都要加强安全保障措施,严防后门植入,才能确保安全,建议集成电路供应链的各环节提高安全性。
  (1)集成电路采购合同安全
  保障产品供需双方签署合同内容条款的充分完整性,应包含必要的约束条款、惩罚机制条款等。
  (2)知识产权安全
  保障集成电路开发过程中,有合法的指令集架构授权、专利授权或第三方IP使用授权,授权方式、授权内容以及授权时间期限等均不存在纠纷,特有的技术特征申请专利。
  (3)集成电路设计安全
  保障集成电路设计开发的核心源代码工程文件和文档资料规范、全面、完整,并妥善存放于指定服务器中,内容可以读取并且可进行更改调整。保障集成电路前端、后端设计满足安全性的要求,有设计验证环境,可以核查产品的设计验证能力。如整体架构、逻辑综合、布线布局等均为自主设计。
  (4)集成电路设备安全
  保障集成电路在设计、制造、封装过程中使用的各种工具和设备的安全性、稳定性和可替代性,如这些设备都有完整的功能、性能说明,对其进行安全性分析,明确有同类设备可以进行替代等。
  (5)集成电路制造安全
  通过引进加自主研究的方式,尽快提高我国集成电路的制造技术水平,确定集成电路流片过程的所在地。如在国外要保障工艺安全,相关文件材料完整无缺失,在条件允许的情况下尽快从国外转移到国内。
  (6)集成电路封装安全
  保障集成电路封装的技术工艺和封装地点安全。如在国外要保障采用国内要求的封装工艺,封装环节相关文件完整无缺失,在条件允许情况下,尽快从国外转移到国内。
  (7)集成电路设计验证安全
  保障集成电路产品封装完成后各项功能达到设计时的要求指标,确定测试地点。如在国外要保障测试向量满足自主设计的要求,测试相关文件完整无缺失,在条件允许的情况下,尽快转移到境内进行测试。
  (8)集成电路材料安全
  保障集成电路制造过程中所需要的各类原材料可连续、稳定、保质、保量供应,并且有可靠的替代源,加大技术引进和自主研发,培养专业人才队伍。
  (9)集成电路售后服务安全
  保障集成电路在交付、维护过程中的安全,供应商应严格执行售后服务相关规范和承诺。如及时对产品进行功能升级、发布漏洞补丁等。
  (10)集成电路突发事件应急安全
  保障在出现人为或自然突发事件导致集成电路供应链中断后,能够快速恢复到正常状态。如有完善的应急响应制度、有专业的应急响应团队、应急响应流程规范等。
  (11)集成电路研发团队人员安全
  保障集成电路研发团队人员的国籍、办公场所、核心研发团队的稳定性等均需要满足安全性要求。如核心研发人员均为中国国籍、办公场所均在中国境内、核心研发团队人员在项目结束前没有人员流动现象等。
  (12)集成电路供应链管理策略安全
  支持集成电路供应链各环节的产品和服务供应商之间进行互相认证,通过合作提高安全性,对元器件供应商的认证和考核加强管理,对技术和管理方面的要求有切实可行的条款,严格把关采购准入门槛,根据情况对供应商建立可信名录并且按期进行考核和调整,集成商采购的元器件,对方必须是可信的或者是许可的供应商,保障了集成电路生命周期各环节的供应商有备选的供应方案。如果在产品中发现劣质元器件或者存在安全漏洞时,集成商必须负责更改或重新调整所造成的一切后果。建议政府通过加大专项研发资金的投入,支持我国集成电路供应链薄弱环节的发展,开展关键技术攻关,合理的引导技术推广,促进技术产业化发展,提高企业供货能力,提升国产化比例。以基金的形式通过多渠道,鼓励国内企业对外进行技术收购,同时鼓励国内半导体企业进行优化组合,建立良好的生态体系。集成电路供应链安全问题及应对策略如表1所示。
  5 结束语
  近些年我国在5G、物联网、人工智能、移动支付、电商等新兴技术和互联网应用方面都取得了较大的进步,随着这些新兴技术的大范围推广应用,我国集成电路的需求市场规模将会快速增长。由于对集成电路进行安全检查的技术和设备不足,大量安全性未知的芯片会进入国内,这是我国近期所面临的一个重要安全问题。
  我国在集成电路产业发展过程中不断受到各种挑战,即是困难又是机遇,促使我国必须全力发展集成电路技术,保障了供应链的安全,为此研究人员应该对集成电路供应链的安全开展进一步的研究,对集成电路的攻击、检测和防御等多个方面进行切入,完善系统性研究。
  参考文献
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