后摩爾時代，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)能否實(shí)現(xiàn)“后來者居上”？
后摩爾時代，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)能否實(shí)現(xiàn)“后來者居上”？
作者：沈叢來源：中國電子報、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)
5月14日，國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第十八次會議在北京召開，會議專題討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)。摩爾定律一直被視為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“金科玉律“，然而隨著硅工藝的發(fā)展愈發(fā)趨近于其物理極限摩爾定律面臨巨大挑戰(zhàn)，后摩爾時代來臨，一批顛覆性技術(shù)也被提出，并不斷發(fā)展，IC產(chǎn)業(yè)面臨新的發(fā)展契機(jī)。中國應(yīng)如何借此次技術(shù)革新之機(jī)，大力發(fā)展顛覆性技術(shù)，加快發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)趕超？
后摩爾時代顛覆性技術(shù)受關(guān)注
如今，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，摩爾定律一直被視為“金科玉律“般的存在。摩爾定律既不是數(shù)學(xué)公式，也不是物理原理，而是基于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出的預(yù)言：通過芯片工藝的演進(jìn)，每18個月芯片上可容納的晶體管數(shù)量翻一番，達(dá)到提升芯片性能和降低成本的目的。
然而，隨著芯片工藝的不斷演進(jìn)，硅工藝的發(fā)展愈發(fā)趨近于其物理極限，讓晶體管繼續(xù)縮小也變得愈發(fā)困難。據(jù)悉，芯片從28nm推進(jìn)到5nm的成本已翻了十倍有余，開發(fā)周期也拉長到了18—36個月。且越來越高的集成度，需要龐大的軟硬件團(tuán)隊(duì)無縫協(xié)同來進(jìn)行開發(fā)，導(dǎo)致有可能進(jìn)一步拉低芯片良率，盈利風(fēng)險也愈發(fā)明顯。
知名業(yè)內(nèi)專家莫大康表示，后摩爾時代并非意味著摩爾定律的終結(jié)，而是原始的摩爾定律開始有了一定的變化。隨著摩爾定律的不斷發(fā)展，摩爾定律由最原始的尺寸不斷縮小，演變?yōu)榱巳齻€方向：其一，延續(xù)傳統(tǒng)摩爾定律的模式，通過尺寸不斷縮小來提升芯片的性能和功耗；其二，成熟制程向高度集成化發(fā)展，這也是目前中國集成電路主推的方向；其三，發(fā)展新器件、新架構(gòu)、新工藝以及新材料，最有代表性的便是目前主推的芯粒（Chiplet）技術(shù)。
一些顛覆性技術(shù)也開始浮出水面，復(fù)旦大學(xué)教授周鵬認(rèn)為，后摩爾時代的顛覆性技術(shù)將從材料，器件，架構(gòu)上進(jìn)行革新，并給中國集成電路產(chǎn)業(yè)帶來更多的發(fā)展機(jī)會。從材料上而言，碳納米管集成電路電或者說廣義的類碳基電子學(xué)將會為集成電路帶來非常大的空間和發(fā)展機(jī)會。例如，二維原子晶體是后摩爾時代的電子器件重要載體。
從器件上來說，新材料會使器件具備很多新的特性。這些新的特性會產(chǎn)生新的功能。使得后摩爾或者說超越摩爾具備更多的可能。再通過碳硅融合這樣一個可行性極強(qiáng)的技術(shù)路徑，能夠充分賦能我國新型科技體制，發(fā)揮制度優(yōu)勢，做到與國際先發(fā)單位競爭互補(bǔ)。
“在架構(gòu)上，由于需求的變化，使我們具有了更多的發(fā)展機(jī)會，而不僅僅是沿著先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)前進(jìn)，這是非常重要的一個后摩爾時代特征。例如存算一體，感算一體，感存算一體等。根據(jù)不同的應(yīng)用場景會有不同的優(yōu)勢。特別是新材料和新器件能夠在新架構(gòu)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可以與硅技術(shù)做到互融互補(bǔ)。”周鵬同《中國電子報》記者說道。
中國IC產(chǎn)業(yè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存
中國工程院院士、浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心領(lǐng)域首席科學(xué)家吳漢明指出，“后摩爾時代”的來臨，中國IC產(chǎn)業(yè)面臨重大機(jī)遇。然而，盡管顛覆性技術(shù)的到來為中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了無限可能的同時，也存在很多挑戰(zhàn)。
異構(gòu)集成是后摩爾時代典型的發(fā)展技術(shù)。該技術(shù)用于封裝，在滿足需求的情況下，采用芯粒（Chiplet）技術(shù)，可快速和有效的發(fā)揮出芯片的功能，具有設(shè)計(jì)難度低、制造便捷和成本低等優(yōu)勢。這一發(fā)展方向使得芯片發(fā)展從一味追求功耗下降及性能轉(zhuǎn)向更加務(wù)實(shí)的滿足市場需求，也成為了如今各大芯片廠商“寵兒”，例如，英特爾推出可將邏輯芯片與存儲芯片進(jìn)行3D封裝的Foveros技術(shù)。臺積電推出可以實(shí)現(xiàn)晶圓對晶圓的鍵合的多芯片堆疊SoIC技術(shù)等，都是架構(gòu)創(chuàng)新方向的有益探索。與此同時，該項(xiàng)技術(shù)也是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在后摩爾時代的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)，也是與國際先進(jìn)水平差距較小的技術(shù)
然而，盡管與傳統(tǒng)是單片集成相比，Chiplet在許多方面具有很多優(yōu)勢和潛力，但是該技術(shù)的發(fā)展仍存在很多挑戰(zhàn)，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化遲遲無法落地。
第一，異構(gòu)集成的基礎(chǔ)是先進(jìn)的封裝技術(shù)，需要能夠做到低成本和高可靠性，對于集成技術(shù)而言是一個很大的挑戰(zhàn)，與此同時，對于這種“超級”異構(gòu)系統(tǒng)，其更大的優(yōu)化空間也同時意味著架構(gòu)優(yōu)化的難度也會大大增加。第二，如今異構(gòu)集成能否成功的另一個大問題是質(zhì)量保障。雖然相對傳統(tǒng)IP，Chiplet是經(jīng)過硅驗(yàn)證的產(chǎn)品，本身保證了物理實(shí)現(xiàn)的正確性。但它仍然有個良率的問題，而且如果SiP其中的一個硅片有問題，則整個系統(tǒng)都會受影響，代價很高。因此，集成到SiP中的Chiplet必須保證100%無故障，難度非常之高。
與此同時，浙江大學(xué)教授嚴(yán)曉浪也認(rèn)為，盡管在Chiplet的高端先進(jìn)封裝技術(shù)方面，中國的技術(shù)創(chuàng)新與國際先進(jìn)水平的差距相對較小，并且臺績電、三星、英特爾和蘋果等大企業(yè)開展這方面工作已有數(shù)年，但基本上是自用技術(shù)，依舊沒有形成產(chǎn)業(yè)體系。中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)若想在后摩爾時代實(shí)現(xiàn)Chiplet的產(chǎn)業(yè)化落地，也絕非易事。
腳踏實(shí)地，突破萬難
可見，隨著后摩爾時代的來臨，對于我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而言，技術(shù)迭代的困難和挑戰(zhàn)也隨之而來，若想實(shí)現(xiàn)突破也絕非易事。“新的技術(shù)從技術(shù)到產(chǎn)品、到商品再到產(chǎn)業(yè)化，有很長的距離要走，并且哪條路經(jīng)能夠成功，目前來看還很難說。”芯謀科技芯謀研究首席分析師顧文軍向《中國電子報》記者說道。
然而，盡管困難重重，后摩爾時代的來臨也為中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了“后來者居上”的可能。
“面對后摩爾時代的來臨，若想實(shí)現(xiàn)突破，我們不僅要沿摩爾定律做先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)，也要為后摩爾時代的新技術(shù)、新材料、新器件來進(jìn)行積極的扶持，充分發(fā)揮我國體制優(yōu)勢和科研院所人力優(yōu)勢，完全可以實(shí)現(xiàn)與國外先進(jìn)技術(shù)的相互交叉推動。”周鵬說道。
周鵬舉例，近期臺灣大學(xué)、臺積電與麻省理工學(xué)院共同提出的利用半金屬鉍（Bi）作為二維材料的接觸電極的研究成果，也給我國半導(dǎo)體的發(fā)展帶來了新的思路，這便是后摩爾時代，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)競爭優(yōu)勢的重要砝碼。
“這項(xiàng)新技術(shù)的突破，將解決二維半導(dǎo)體進(jìn)入產(chǎn)業(yè)界的主要問題，是集成電路能在后摩爾時代繼續(xù)前進(jìn)的重要技術(shù)。二維半導(dǎo)體已被國際主要前沿集成電路研發(fā)機(jī)構(gòu)重金投入，不管是在工藝突破還是新器件結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)制造方面，我國都處于同等位置，應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)優(yōu)勢，補(bǔ)足短板，在新一代集成電路關(guān)鍵技術(shù)上與國際機(jī)構(gòu)形成競爭互補(bǔ)關(guān)系。在未來性能與功耗平衡上，此次二維半導(dǎo)體的接觸電極技術(shù)的突破，將推動高性能低功耗CPU及存儲器的發(fā)展。未來，隨著芯片制程的不斷延伸，每突破一步都是非常困難，在未來1nm甚至1nm以下的工藝中，如何能夠把控好性能與功耗之間的平衡是目前需要突破的一大技術(shù)瓶頸，在關(guān)鍵工藝上實(shí)現(xiàn)碳硅融合也將是我國取得競爭優(yōu)勢的重要砝碼。”周鵬說道。
可見，新的技術(shù)演進(jìn)，對于后來者而言，是一個絕佳的超越機(jī)會。“但是成功也是需要積累的，目前還是要踏踏實(shí)實(shí)，把現(xiàn)在的技術(shù)、產(chǎn)品做好。同時對新技術(shù)保持高度的關(guān)注以及投入研發(fā)。”顧文軍說道。
