5月14日，國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)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(shù)。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)。后摩爾定律時代來臨，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。中國應如何借此次技術(shù)革新之機，大力發(fā)展顛覆性技術(shù)，加快發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)趕超?

一些顛覆性技術(shù)開始浮出水面

如今，半導體產(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)學公式，也不是物理原理，而是基于半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)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(shù)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(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隊無縫協(xié)同來進行開發(fā)，導致有可能進一步拉低芯片良率，盈利風險也愈發(fā)明顯。

知名業(yè)內(nèi)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(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(shù)將從材料、器件、架構(gòu)上進行革新，并給中國集成電路產(chǎn)業(yè)帶來更多的發(fā)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(fā)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(chǎn)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(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。

“在架構(gòu)上，由于需求的變化，使我們具有了更多的發(fā)展機會，而不僅僅是沿著先進技術(shù)節(jié)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(jù)不同的應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)上具有獨特的優(yōu)勢，可以與硅技術(shù)做到互融互補。”周鵬向《中國電子報》記者表示。

異構(gòu)集成或成后摩爾時代技術(shù)經(jīng)典

中國工程院院士、浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心領(lǐng)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(chǎn)業(yè)面臨重大機遇。然而，盡管顛覆性技術(shù)的到來為中國半導體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了無限可能，但同時也存在很多挑戰(zhàn)。

異構(gòu)集成是后摩爾定律時代典型的發(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)，可快速有效地發(fā)揮出芯片的功能，具有設(shè)計難度低、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(shù)，臺積電推出可以實現(xiàn)晶圓對晶圓鍵合的多芯片堆疊SoIC技術(shù)等，都是架構(gòu)創(chuàng)新方向的有益探索。與此同時，該項技術(shù)也是中國半導體產(chǎn)業(yè)在后摩爾定律時代的重點發(fā)展技術(shù)，也是與國際先進水平差距較小的技術(shù)。

然而，盡管與傳統(tǒng)的單片集成相比，Chiplet在許多方面具有優(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)過硅驗證的產(chǎn)品，本身保證了物理實現(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，浙江大學教授嚴曉浪也認為，盡管在Chiplet的高端先進封裝技術(shù)方面，中國的技術(shù)創(chuàng)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(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。中國半導體產(chǎn)業(yè)若想在后摩爾定律時代實現(xiàn)Chiplet的產(chǎn)業(yè)化落地，也絕非易事。

誰是中國IC業(yè)實現(xiàn)競爭優(yōu)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(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(chǎn)業(yè)創(chuàng)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(xiàn)突破，我們不僅要沿摩爾定律做先進技術(shù)節(jié)點產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)，也要為后摩爾定律時代的新技術(shù)、新材料、新器件來進行積極的扶持，充分發(fā)揮我國體制優(yōu)勢和科研院所人力優(yōu)勢，完全可以實現(xiàn)與國外先進技術(shù)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(fā)展帶來了新的思路，這便是后摩爾定律時代，中國半導體產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)競爭優(yōu)勢的重要砝碼。

“這項新技術(shù)的突破，將解決二維半導體進入產(chǎn)業(yè)界的主要問題，是集成電路能在后摩爾定律時代繼續(xù)前進的重要技術(shù)。二維半導體已被國際主要前沿集成電路研發(fā)機構(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)計制造方面，我國都處于同等位置，應該進一步加強優(yōu)勢，補足短板，在新一代集成電路關(guān)鍵技術(shù)上與國際機構(gòu)形成競爭互補關(guān)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(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。

可見，新的技術(shù)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(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。

標簽： 集成 電路 技術(shù) 產(chǎn)業(yè)