集成電路步入技術換擋期加快發展集成電路產業

2021-07-06 09:58:29

5月14日,國家科技體制改革和創新體系建設領導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定律時代的集成電路潛在顛覆性技術。然而隨著硅工藝的發展愈發趨近于其物理極限,摩爾定律面臨巨大挑戰。后摩爾定律時代來臨,一批顛覆性技術也被提出并不斷發展,IC產業面臨新的發展契機。中國應如何借此次技術革新之機,大力發展顛覆性技術,加快發展集成電路產業,實現趕超?

一些顛覆性技術開始浮出水面

如今,半導體產業已經經歷了數十年的發展,摩爾定律一直被視為“金科玉律”般的存在。摩爾定律既不是數學公式,也不是物理原理,而是基于半導體產業發展做出的預言:通過芯片工藝的演進,每18個月芯片上可容納的晶體管數量翻一番,達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,硅工藝的發展愈發趨近于其物理極限,讓晶體管繼續縮小也變得愈發困難。據悉,芯片從28nm推進到5nm的成本已翻了十倍有余,開發周期也拉長到了18~36個月。且越來越高的集成度,需要龐大的軟硬件團隊無縫協同來進行開發,導致有可能進一步拉低芯片良率,盈利風險也愈發明顯。

知名業內專家莫大康表示,后摩爾定律時代并非意味著摩爾定律的終結,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展,摩爾定律由最原始的尺寸不斷縮小,演變為了三個方向:其一,延續傳統摩爾定律的模式,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展,這也是目前中國集成電路主推的方向;其三,發展新器件、新架構、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。

一些顛覆性技術也開始浮出水面,復旦大學微電子學院副院長周鵬認為,后摩爾定律時代的顛覆性技術將從材料、器件、架構上進行革新,并給中國集成電路產業帶來更多的發展機會。從材料上而言,碳納米管集成電路或者說廣義的類碳基電子將為集成電路帶來非常大的空間和發展機會。例如,二維原子晶體是后摩爾定律時代電子器件的重要載體。

從器件上來說,新材料會使器件具備很多新的特性。這些新的特性會產生新的功能,使得后摩爾定律或者說超越摩爾定律具備更多的可能。再通過碳硅融合這樣一個可行性極強的技術路徑,能夠充分賦能我國新型科技體制,發揮制度優勢,做到與國際先發單位競爭互補。

“在架構上,由于需求的變化,使我們具有了更多的發展機會,而不僅僅是沿著先進技術節點前進,這是非常重要的一個后摩爾定律時代特征。例如存算一體、感算一體、感存算一體等。根據不同的應用場景會有不同的優勢,特別是新材料和新器件能夠在新架構上具有獨特的優勢,可以與硅技術做到互融互補。”周鵬向《中國電子報》記者表示。

異構集成或成后摩爾時代技術經典

中國工程院院士、浙江大學杭州國際科創中心領域首席科學家吳漢明指出,后摩爾定律時代的來臨,中國IC產業面臨重大機遇。然而,盡管顛覆性技術的到來為中國半導體產業創造了無限可能,但同時也存在很多挑戰。

異構集成是后摩爾定律時代典型的發展技術。該技術用于封裝,在滿足需求的情況下,采用芯粒(Chiplet)技術,可快速有效地發揮出芯片的功能,具有設計難度低、制造便捷和成本低等優勢。這一發展方向使得芯片發展從一味追求功耗下降及性能轉向更加務實地滿足市場需求,也成為了如今各大芯片廠商的“寵兒”。例如,英特爾推出可將邏輯芯片與存儲芯片進行3D封裝的Foveros技術,臺積電推出可以實現晶圓對晶圓鍵合的多芯片堆疊SoIC技術等,都是架構創新方向的有益探索。與此同時,該項技術也是中國半導體產業在后摩爾定律時代的重點發展技術,也是與國際先進水平差距較小的技術。

然而,盡管與傳統的單片集成相比,Chiplet在許多方面具有優勢和潛力,但是該技術的發展仍存在很多挑戰,導致產業化遲遲無法落地。

第一,異構集成的基礎是先進的封裝技術,需要能夠做到低成本和高可靠性,對于集成技術而言是一個很大的挑戰,與此同時,對于這種“超級”異構系統,其更大的優化空間也同時意味著架構優化的難度也會大大增加。第二,如今異構集成能否成功的另一個大問題是質量保障。雖然相對傳統IP,Chiplet是經過硅驗證的產品,本身保證了物理實現的正確性。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,浙江大學教授嚴曉浪也認為,盡管在Chiplet的高端先進封裝技術方面,中國的技術創新與國際先進水平的差距相對較小,并且臺積電、三星、英特爾和蘋果等大企業開展這方面工作已有數年,但基本上是自用技術,依舊沒有形成產業體系。中國半導體產業若想在后摩爾定律時代實現Chiplet的產業化落地,也絕非易事。

誰是中國IC業實現競爭優勢的砝碼?

可見,隨著后摩爾定律時代的來臨,對于我國半導體產業的發展而言,技術迭代的困難和挑戰也隨之而來,若想實現突破也絕非易事。“新的技術從技術到產品到商品再到產業化,有很長的距離要走,并且哪條路徑能夠成功,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,后摩爾定律時代的來臨也為中國半導體產業創造了“后來者居上”的可能。

“面對后摩爾定律時代的來臨,若想實現突破,我們不僅要沿摩爾定律做先進技術節點產業鏈研發,也要為后摩爾定律時代的新技術、新材料、新器件來進行積極的扶持,充分發揮我國體制優勢和科研院所人力優勢,完全可以實現與國外先進技術的相互交叉推動。”周鵬說道。

周鵬舉例,近期臺灣大學、臺積電與麻省理工學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,給我國半導體發展帶來了新的思路,這便是后摩爾定律時代,中國半導體產業實現競爭優勢的重要砝碼。

“這項新技術的突破,將解決二維半導體進入產業界的主要問題,是集成電路能在后摩爾定律時代繼續前進的重要技術。二維半導體已被國際主要前沿集成電路研發機構重金投入,不管是在工藝突破還是新器件結構及設計制造方面,我國都處于同等位置,應該進一步加強優勢,補足短板,在新一代集成電路關鍵技術上與國際機構形成競爭互補關系。在未來性能與功耗平衡上,此次二維半導體的接觸電極技術的突破,將推動高性能低功耗CPU及存儲器的發展。未來,隨著芯片制程的不斷延伸,每突破一步都非常困難,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瓶頸,在關鍵工藝上實現碳硅融合也將是我國取得競爭優勢的重要砝碼。”周鵬說。

可見,新的技術演進,對于后來者而言,是一個絕佳的超越機會。“但是成功也是需要積累的,目前還是要踏踏實實,把現在的技術、產品做好,同時對新技術保持高度的關注以及投入研發。”顧文軍說道。

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