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吴汉明院士:探索后摩尔时代中国集成电路产业发展的新思路

发布日期:2022-11-18 10:50浏览次数:12622

吴汉明

-《前瞻科技》客座主编

-中国工程院院士

-浙江大学微纳电子学院院长



60多年前,第一个集成电路问世,拉开了集成电路芯片技术飞速发展的序幕。面向不同应用的集成电路芯片的出现,在过去几十年的发展历程中,彻底改变了人类的生活方式。时至今日,以集成电路为基础的信息产业已经成为全球第一大产业。信息交互、货币流通、医疗、娱乐等逐渐从20世纪中期的实体方式转变成更加虚拟和数字化的方式。近年来,新冠肺炎疫情导致的公共卫生标准升高更加速了电子信息产业,特别是集成电路产业的发展。

 

随着微缩化的集成电路制造技术逼近物理极限,一系列新工艺、新材料、新技术,如三维集成、芯粒技术、存算一体芯片等,被积极探索,为集成电路技术的发展引入了新的思路,集成电路的“后摩尔时代”也随之开启。在这一时代背景下,人们对待集成电路产业发展方向这一问题的解决思路和方法也在逐渐转换和更新。一方面,基于现有的成熟工艺(28 nm及以上制程),主要将其用于新兴智能应用方向的市场拓展。另一方面,在对制造技术要求更高的传统芯片领域,人们依然需要技术迭代,通过引入极紫外(Extreme Ultra-Violet, EUV)光刻等尖端技术进一步按比例微缩化晶体管尺寸或是通过电路和芯片层面的三维集成来继续维持算力的提升。此外,随着冯·诺依曼架构的局限性日益明显,人们也开始探索能够满足更高算力、更低能耗需求的新型架构和工艺技术,如非冯·诺依曼架构芯片、类脑芯片以及量子超算芯片等,这些技术正在成为集成电路发展的新方向。

 

1。集成电路产业是国家战略性和市场基础性共存、具有持续高技术和资金投入需求、产业周期性波动,同时具有技术先导性和应用导向性的产业

 

集成电路产业历经60多年的发展,具有以下特点和发展规律。

 

一是国家战略性和市场基础性共存。由于上至国家安全下至民生,电子信息时代对信息交互的依赖越来越高,因此,一个国家集成电路产业的发达程度,将直接决定其在国际上的国防实力和经济地位。只有掌握了先进集成电路工艺的核心技术,才能在电子信息时代的全球大环境下立于不败之地。集成电路产业是需要从国家层面全局谋划,并给予资金和技术支持的战略性产业。然而,与传统的战略性技术,如“两弹一星”这种具有威慑力但是市场需求有限的技术相比,集成电路产业还具有市场基础性。两种特性的兼具使得集成电路产业成为事关国家地位、国防与民生的重要产业。

 

二是技术和资金投入高且需要持续性投入。只有经年累月的技术和资金投入,才能保持集成电路企业在技术迭代的洪流中始终领先,并在利润最高的尖端技术领域实现长期回报。资金投入方面,对于代工厂(Foundry)而言,其主要投资用于建设生产线和工艺开发,对于集成器件制造商(IDM)而言,除了上述成本以外,其部分投资还需要用于产品设计和开发。随着集成电路工艺水平的不断提高,集成电路生产线建设的投资逐年增加。可以说,集成电路产业是一个技术积累周期长且投资大的行业。中国应利用举国体制优势,对集成电路产业的成熟节点和先进节点投入提前布局,以保证这一领域得到持续长期的技术和资本投入。

 

三是产业波动具有一定的周期性。由于应用范围广泛,与市场的联系非常紧密,集成电路产业发展受应用市场波动的影响十分明显。世界集成电路市场的增长率一直呈现周期性的波动状态,表现为每10年左右的增长率呈现一个先下降后上升的波动趋势。出现这种趋势的原因,一是宏观经济的影响,如地区性或全球性的经济涨落;二是市场供需不平衡导致的部分领域规模调整。中国过去20年的GDP增长与电子信息制造业的增长速度和规律趋同,说明中国集成电路产业发展与市场扩展密切相关,集成电路产业的未来也依赖于整体市场和经济的繁荣。

 

四是具有产业技术先导性和应用导向性。集成电路产业是利用尖端技术实现先进芯片应用产品,从而实现其战略价值和商业价值的行业。在这一过程中,原材料的加工、成套工艺中几百道工艺的良率控制、电路设计的先进性等都将决定芯片最终的性能和市场。随着工艺制程进入亚10 nm,最先进的单步工艺技术、集成技术、封装技术等也将陆续应用于芯片设计和制造,这也是集成电路产业的技术投入巨大的原因。此外,随着电子信息时代应用市场的不断拓展和碎片化,基于多样化应用开发的芯片产品也日益增多。因此,集成电路产业会随着应用导向不同而出现多样化发展的趋势。

 

2.中国集成电路产业应加快实现产业链的自主可控

 

中国的集成电路产业技术和规模在过去的20年中实现了飞速发展,世界市场占比从“九五”期间的0.63%发展到了“十三五”期间的26.6%。同时,销售额也实现了指数级的增长。国家政策和集成电路产业人才为这些增长作出了巨大的贡献。在集成电路设计方面,中国大陆的集成电路设计业已经超越中国台湾地区,成为全球第二大设计业聚集地。然而,相比于集成电路设计行业,电子设计自动化(Electronic Design Automation, EDA)软件和知识产权(Intellectual Property, IP)核的发展相对落后。EDA软件尚难以与Synopsys、Cadence和Siemens EDA(前身为Mentor Graphics)三巨头公司抗衡,而IP核模块更是匮乏。因此,EDA软件和IP核模块已经成为西方政客对中国集成电路产业打压的主要杀手锏之一。为了促进IP核模块的发展,中国未来可以探索IP核共享平台这一模式,让投资巨大的代工厂和设计公司共同促进IP核的成熟发展。

 

在集成电路制造领域,就制造工艺技术而言,中国在基于成熟技术的市场体系内,已经能够完成大部分的芯片设计和制造。在基于技术迭代和三维集成领域,也部分达到了世界先进的发展水平。中芯国际和华虹半导体公司在世界半导体代工市场的占有率靠前,主要营业额来自于较为成熟的特色工艺生产线。

 

2020年以来,长江存储在128层3D NAND闪存技术上取得突破,达到国际先进水平。然而,与制造工艺技术的发展相比,中国在原材料和制造装备方面,仍然严重受制于国外的技术封锁。在高端材料与设备供应方面,中国的自给率较低,在40~45 nm节点接近50%,在7~14 nm节点仅为5%。电子气体及金属有机源对外依存度超过80%,化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)技术的抛光液国产化率小于10%,溅射靶材大部分需要进口,用于大生产的300 mm的硅片至今仍然主要依靠进口。相比于总产值,中国在集成电路装备和原材料方面的市场份额仍存在一定差距。目前,国外对于先进工艺生产和供应链中设备材料以及代工限制将极大程度地制约中国在这些新兴关键技术领域的发展。

 

为了弥补原材料方面的短板,近年来中国在用于大生产的国产材料方面,取得了积极的进展,如原材料方面,有安集铜/阻挡层研磨剂、江丰铝/钛靶材、邯郸NF3、新阳电镀液等;晶圆制造方面,有研12英寸外延片良率/可靠性已经通过大批量客户认证,而且12英寸及8英寸测试片和金瑞泓8英寸测试片都已被代工厂大量采购;光阻材料方面,北京科华光阻通过客户验证进入采购名单,打破了日本技术垄断;CMP材料方面,成都时代立夫硅片研磨垫已经进入采购,打破了美国和日本的技术垄断,河北工业大学硅片研磨剂通过中芯国际的稽核认证进入采购名单。在目前“反全球化”的国家主义国际环境下,对于中国当下缺乏的集成电路制造关键技术、材料和设备,必须凭借中国的体制优势,通过攻坚创新,补足短板,打破集成电路产业链壁垒,实现技术自主可控的先进集成电路芯片产业链。

 

在封装测试(简称封测)领域,中国的封测技术相比于制造和设计,处于世界领先的水平。代表企业如长电科技、通富微电和天水华天,在世界排名中分别为第3、第6和第7名。2022年上半年,长电科技营收额为305亿元人民币,在世界封测市场的占有率为12%。硬件方面,中国引线键合机等设备已经具备自给能力,而检测设备仍然大幅依赖进口。

 

3.“泛摩尔化”是未来集成电路产业的发展趋势

 

随着器件尺寸从亚微米级逐渐缩微至纳米级,技术和资金的投入呈现指数级的增加。在这种情况下,部分企业和机构逐渐将投入转移至新材料、新架构和新技术领域。在基于现有的硅基技术和冯·诺依曼架构的“硅-冯”范式下,一部分半导体企业和机构仍能够沿着摩尔定律的趋势,通过先进的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)技术,提升计算芯片的性能。而大多数半导体企业和机构则通过探索“泛摩尔化”的可能性,如基于新型晶体管技术和冯·诺依曼架构的类硅模式、基于硅基器件和非冯·诺依曼架构的类脑和存算一体模式,来拓展后摩尔时代的芯片发展空间。随着算力和能效需求的进一步提高,传统的冯·诺依曼架构中数据搬运的低效性日趋显著,基于存储和运算一体集成的存算一体芯片,也将投入生产并用于终端市场。此外,在颠覆性技术的新兴领域,如在基于量子自旋的量子器件、算法与架构的量子芯片和神经形态计算领域,相关研究工作也已经开展了10余年。基于量子计算的量子比特器件和CMOS外围电路的工作已经具备相当的展示度。不过相较于发展60余年数千亿美元市值的集成电路产业而言,这些新兴范式仍处于基础研究阶段,其产业化可行性和应用价值有待进一步研究和论证。

 

在后摩尔时代,人们终将看到以摩尔定律为指导的等比例微缩技术逐渐走向尽头。但是,通过新材料、新器件和新架构的引入,集成电路产业和市场仍将持续扩大,继续支撑国家安全与民生等关键领域的发展。在目前的“反全球化”和新冠肺炎疫情影响下,中国正经历着百年未有之大变局。如何在变化的大形势下走好集成电路产业发展的每一步棋,是中国在未来数十年内保持经济繁荣和国家安全的关键。集成电路产业在后摩尔时代可以沿着先进工艺结合特色工艺、先进封装和系统结构的方式,实现应用市场更加宽广的“泛摩尔化”模式发展。在当前的形势下,相比于成本和研发投入巨大,且装备和材料几乎完全依赖境外的亚10 nm制程,本土自主可控的55 nm特色制程也许对中国掌握集成电路产业的基本盘具有更加重要的价值。

 

尽管当前中国在集成电路领域面临着从原材料、装备到EDA工具的一系列“卡脖子”的问题,然而,在越来越紧迫的国际形势下,机遇和挑战同时呈现在国产材料、装备和EDA企业面前,虽然挑战相当严峻,但也是产业快速崛起的机遇。

 

我们要有战略定力,坚持开放的全球化政策,同时发挥举国体制优势,集聚资源,在新型社会主义市场下开展大兵团作战,加快建立国家级集成电路公共技术研发平台,通过产教融合、科教协同培养人才,真正落实产学研协同创新,发展芯片制造共性技术,支持中国集成电路产业的稳定持续可控发展。

 

正如习近平总书记2021年在中国共产党与世界政党领导人峰会上所倡导的那样:“道阻且长,行则将至;行而不辍,未来可期。”《前瞻科技》第3期出版集成电路科学与工程专刊,从先进装备、先进工艺、EDA产业和IP核,到后道封装,再到整个产业和人才培养的角度,做了详尽的主题综述、形势分析和发展方向建议,以期为相关研究机构和部门的科学决策提供有价值的技术参考。