當前，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正處于迭代升級的關(guān)鍵期，與此同時產(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，摩爾定律開始失效，后摩爾時代即將來臨。
在“2021 世界半導(dǎo)體大會暨南京國際半導(dǎo)體博覽會”上，眾多行業(yè)專家也就半導(dǎo)體行業(yè)如何打破摩爾定律失效的話題進行了詳細的解讀，分享了各自的觀點和看法。專家一直認為，目前摩爾定律正面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，但同時也給產(chǎn)業(yè)帶來了很多機遇。
異質(zhì)集成電路是后摩爾時代集成電路發(fā)展的新方向
我國集成電路產(chǎn)業(yè)面臨“卡脖子”的痛點。一方面中國花費巨資進口。數(shù)據(jù)顯示，2020 年中國進口集成電路價值 3500 億美元(同年進口石油 1760 億美元)，高端芯片基本依賴進口。另一方面，集成電路有錢也買不到。2020 年 5 月，美國商務(wù)部宣布全面限制華為購買美國軟件和技術(shù)生產(chǎn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品。2021 年 4 月，美國商務(wù)部建議對 14nm 以下所有中國芯片公司出口管制。
眾所周知，集成電路是一個國家綜合科技實力乃至綜合國力的反映。毛發(fā)軍認為，我國集成電路產(chǎn)業(yè)落后的原因復(fù)雜，外在因素是先進技術(shù)受到西方封鎖，內(nèi)在原因是我國集成電路產(chǎn)業(yè)瞻前顧后，導(dǎo)致產(chǎn)學(xué)研脫節(jié)。
在中國科學(xué)院院士，上海交通大學(xué)黨委常委、副校長毛軍發(fā)看來，目前，集成電路的發(fā)展方向主要有兩個，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：“集成電路有兩類材料，元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體材料，這兩類各有優(yōu)缺點。如何將兩者的優(yōu)點結(jié)合起來?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、通過異質(zhì)鍵合或外延生長等方式集成而實現(xiàn)的集成電路或系統(tǒng)。
毛軍介紹稱，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;二是采用系統(tǒng)設(shè)計理念;三是應(yīng)用先進技術(shù)，如 IP 和小芯片(Chiplet)、集成無源器件等新技術(shù);四是具有 2.5D 或 3D 高密度結(jié)構(gòu)。
“正因為如此，其優(yōu)勢也非常突出：一是實現(xiàn)強大的復(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;四是對半導(dǎo)體設(shè)備要求相對較低，不受 EUV 光刻機限制。”
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，實現(xiàn)高性能復(fù)雜電子系統(tǒng)，非常具有研究價值。它是電子系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展的新途徑，也是后摩爾時代集成電路發(fā)展的新方向，更是集成電路變道超車的新機遇。
后摩爾時代存在三個主要驅(qū)動方向
中國工程院院士吳漢明在大會上表示，1970 年代，晶體管價格 1 美元/個，這個價格如今能購買上萬個晶體管，如今一部手機中的芯片，加起來有百億級規(guī)模的晶體管，若回到 1970 年代，同樣一部手機要花費百億美元。
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，芯片的各項性能的增長開始趨于飽和。吳漢明表示，從晶體管的不斷增加來看，產(chǎn)業(yè)仍然在遵循著摩爾定律，但是從單位成本來看，在 2014 年左右，芯片工藝演進至 28nm 時，100 萬晶體管的價格大約是 2.7 美分，當演進到 20nm 時，價格反而漲到 2.9 美分，晶體管的漲價現(xiàn)象，已經(jīng)違背了當初的摩爾定律。
吳漢明指出后摩爾時代，高性能計算、移動計算、自主感知是三個主要驅(qū)動方向，業(yè)界需要圍繞性能、功率、面積、成本進行創(chuàng)新。
在他看來，如今，芯片制造工藝正面臨三大挑戰(zhàn)，也蘊涵著三大創(chuàng)新方向。
第一，基礎(chǔ)挑戰(zhàn)：精密圖形。以光刻機為主要裝備的工藝目前用 193 納米波長形成 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，終級挑戰(zhàn)：提升良率。工藝無論多么先進，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，吳漢明認為，后摩爾時代有四類技術(shù)方向：“硅-馮”范式，通過改變結(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;類硅模式，通過 TFET 等延續(xù)摩爾定律;類腦模式，通過 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，是人工智能的主要途徑;新興范式，通過改變狀態(tài)、采用新器件和新興架構(gòu)實現(xiàn)集成電路創(chuàng)新。
吳漢明表示，摩爾定律失效對于追趕者而言是個機會。“事實上，在先進工藝創(chuàng)新難以為繼時，廠商可以通過系統(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)共享中國市場的紅利。中國政府持續(xù)營造一個開放合作、公平競爭的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，促進全球范圍內(nèi)的分工協(xié)作共享，在公平競爭中實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)繁榮。
關(guān)鍵詞： 半導(dǎo)體
