當(dāng)前，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正處于迭代升級(jí)的關(guān)鍵期，與此同時(shí)產(chǎn)業(yè)的基本規(guī)律 —— 摩爾定律正逼近物理、技術(shù)和成本的極限，2002 年以前全球芯片每年性能提升 52% 左右，到 2010 年為 23%，2010 年為 12%，最近幾年差不多每年提升 3%，隨著發(fā)展速度不斷下降，摩爾定律開(kāi)始失效，后摩爾時(shí)代即將來(lái)臨。
在“2021 世界半導(dǎo)體大會(huì)暨南京國(guó)際半導(dǎo)體博覽會(huì)”上，眾多行業(yè)專(zhuān)家也就半導(dǎo)體行業(yè)如何打破摩爾定律失效的話題進(jìn)行了詳細(xì)的解讀，分享了各自的觀點(diǎn)和看法。專(zhuān)家一直認(rèn)為，目前摩爾定律正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也給產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了很多機(jī)遇。
異質(zhì)集成電路是后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展的新方向
我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)面臨“卡脖子”的痛點(diǎn)。一方面中國(guó)花費(fèi)巨資進(jìn)口。數(shù)據(jù)顯示，2020 年中國(guó)進(jìn)口集成電路價(jià)值 3500 億美元(同年進(jìn)口石油 1760 億美元)，高端芯片基本依賴(lài)進(jìn)口。另一方面，集成電路有錢(qián)也買(mǎi)不到。2020 年 5 月，美國(guó)商務(wù)部宣布全面限制華為購(gòu)買(mǎi)美國(guó)軟件和技術(shù)生產(chǎn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品。2021 年 4 月，美國(guó)商務(wù)部建議對(duì) 14nm 以下所有中國(guó)芯片公司出口管制。
眾所周知，集成電路是一個(gè)國(guó)家綜合科技實(shí)力乃至綜合國(guó)力的反映。毛發(fā)軍認(rèn)為，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)落后的原因復(fù)雜，外在因素是先進(jìn)技術(shù)受到西方封鎖，內(nèi)在原因是我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)瞻前顧后，導(dǎo)致產(chǎn)學(xué)研脫節(jié)。
在中國(guó)科學(xué)院院士，上海交通大學(xué)黨委常委、副校長(zhǎng)毛軍發(fā)看來(lái)，目前，集成電路的發(fā)展方向主要有兩個(gè)，一是繼續(xù)延續(xù)摩爾定律;二是繞道摩爾定律。這兩條道路都面臨挑戰(zhàn)，前者面臨物理原理極限，技術(shù)手段極限以及經(jīng)濟(jì)成本極限。后者要朝著異質(zhì)集成電路方向發(fā)展。
毛發(fā)軍指出：“集成電路有兩類(lèi)材料，元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體材料，這兩類(lèi)各有優(yōu)缺點(diǎn)。如何將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)?只有異質(zhì)集成電路才能做到。”
所謂半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路指的是將不同的工藝節(jié)點(diǎn)的化合物半導(dǎo)體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成度期間或芯片(都含光電子器件或芯片)，與有源元件或天線、通過(guò)異質(zhì)鍵合或外延生長(zhǎng)等方式集成而實(shí)現(xiàn)的集成電路或系統(tǒng)。
毛軍介紹稱(chēng)，異質(zhì)集成電路特色突出：一是可以融合不同半導(dǎo)體材料、工藝、結(jié)構(gòu)、元器件或芯片的優(yōu)點(diǎn);二是采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念;三是應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，如 IP 和小芯片(Chiplet)、集成無(wú)源器件等新技術(shù);四是具有 2.5D 或 3D 高密度結(jié)構(gòu)。
“正因?yàn)槿绱?，其?yōu)勢(shì)也非常突出：一是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的復(fù)雜功能，具有優(yōu)異的綜合性能，可突破單一半導(dǎo)體工藝的性能極限;二是靈活性大、可靠性高、研發(fā)周期短、成本低;三是小型化、輕質(zhì)化;四是對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備要求相對(duì)較低，不受 EUV 光刻機(jī)限制。”
毛發(fā)軍總結(jié)表示，總而言之，半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路突破了單一工藝集成電路的功能、性能極限，實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜電子系統(tǒng)，非常具有研究?jī)r(jià)值。它是電子系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展的新途徑，也是后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展的新方向，更是集成電路變道超車(chē)的新機(jī)遇。
后摩爾時(shí)代存在三個(gè)主要驅(qū)動(dòng)方向
中國(guó)工程院院士吳漢明在大會(huì)上表示，1970 年代，晶體管價(jià)格 1 美元/個(gè)，這個(gè)價(jià)格如今能購(gòu)買(mǎi)上萬(wàn)個(gè)晶體管，如今一部手機(jī)中的芯片，加起來(lái)有百億級(jí)規(guī)模的晶體管，若回到 1970 年代，同樣一部手機(jī)要花費(fèi)百億美元。
從 1970 年代至今，芯片的性能在不斷提升，但數(shù)據(jù)顯示，自 2015 年前后，芯片的各項(xiàng)性能的增長(zhǎng)開(kāi)始趨于飽和。吳漢明表示，從晶體管的不斷增加來(lái)看，產(chǎn)業(yè)仍然在遵循著摩爾定律，但是從單位成本來(lái)看，在 2014 年左右，芯片工藝演進(jìn)至 28nm 時(shí)，100 萬(wàn)晶體管的價(jià)格大約是 2.7 美分，當(dāng)演進(jìn)到 20nm 時(shí)，價(jià)格反而漲到 2.9 美分，晶體管的漲價(jià)現(xiàn)象，已經(jīng)違背了當(dāng)初的摩爾定律。
吳漢明指出后摩爾時(shí)代，高性能計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、自主感知是三個(gè)主要驅(qū)動(dòng)方向，業(yè)界需要圍繞性能、功率、面積、成本進(jìn)行創(chuàng)新。
在他看來(lái)，如今，芯片制造工藝正面臨三大挑戰(zhàn)，也蘊(yùn)涵著三大創(chuàng)新方向。
第一，基礎(chǔ)挑戰(zhàn)：精密圖形。以光刻機(jī)為主要裝備的工藝目前用 193 納米波長(zhǎng)形成 20 納米、30 納米的圖形，在物理原理上面臨很大挑戰(zhàn)。
第二，核心挑戰(zhàn)：新材料。芯片發(fā)展至今，緊靠尺寸縮小帶來(lái)的性能提升非常有限，新材料成為重要突破方向，例如硅、銅等將 32 納米性能提升 70%。因此，新材料、新工藝是集成電路芯片制造的主旋律。
第三，終級(jí)挑戰(zhàn)：提升良率。工藝無(wú)論多么先進(jìn)，良率如果太低就不算成功，因此提高良率也是重要方向。
此外，吳漢明認(rèn)為，后摩爾時(shí)代有四類(lèi)技術(shù)方向：“硅-馮”范式，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)形成新型器件，使得摩爾定律能夠繼續(xù)，瓶頸在于功耗和速度;類(lèi)硅模式，通過(guò) TFET 等延續(xù)摩爾定律;類(lèi)腦模式，通過(guò) 3D 封裝模擬神經(jīng)元特性，具有存算一體、并行、低功耗等特點(diǎn)，是人工智能的主要途徑;新興范式，通過(guò)改變狀態(tài)、采用新器件和新興架構(gòu)實(shí)現(xiàn)集成電路創(chuàng)新。
吳漢明表示，摩爾定律失效對(duì)于追趕者而言是個(gè)機(jī)會(huì)。“事實(shí)上，在先進(jìn)工藝創(chuàng)新難以為繼時(shí)，廠商可以通過(guò)系統(tǒng)性能提升，在已有成熟工藝的基礎(chǔ)上做出更多創(chuàng)新，提升芯片性能。”
值得一提的是，中國(guó)是全球集成電路企業(yè)發(fā)展的沃土，內(nèi)外資集成電路企業(yè)共享中國(guó)市場(chǎng)的紅利。中國(guó)政府持續(xù)營(yíng)造一個(gè)開(kāi)放合作、公平競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，促進(jìn)全球范圍內(nèi)的分工協(xié)作共享，在公平競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)繁榮。
關(guān)鍵詞： 半導(dǎo)體
