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后摩尔时代,中国半导体产业能否实现“后来者居上”?

来源:中国电子展会信息网  作者:Cef114.Com  发布:2021-05-21  点击:

刘鹤

5月14日,由刘鹤主持的国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议在北京召开,会议专题讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。摩尔定律一直被视为半导体产业的“金科玉律“,然而随着硅工艺的发展愈发趋近于其物理极限摩尔定律面临巨大挑战,后摩尔时代来临,一批颠覆性技术也被提出,并不断发展,IC产业面临新的发展契机。中国应如何借此次技术革新之机,大力发展颠覆性技术,加快发展集成电路产业,实现赶超?

后摩尔时代颠覆性技术受关注

如今,半导体产业已经经历了数十年的发展,摩尔定律一直被视为“金科玉律“般的存在。摩尔定律既不是数学公式,也不是物理原理,而是基于半导体产业发展做出的预言:通过芯片工艺的演进,每18个月芯片上可容纳的晶体管数量翻一番,达到提升芯片性能和降低成本的目的。

然而,随着芯片工艺的不断演进,硅工艺的发展愈发趋近于其物理极限,让晶体管继续缩小也变得愈发困难。据悉,芯片从28nm推进到5nm的成本已翻了十倍有余,开发周期也拉长到了18—36个月。且越来越高的集成度,需要庞大的软硬件团队无缝协同来进行开发,导致有可能进一步拉低芯片良率,盈利风险也愈发明显。

莫大康

知名业内专家莫大康表示,后摩尔时代并非意味着摩尔定律的终结,而是原始的摩尔定律开始有了一定的变化。随着摩尔定律的不断发展,摩尔定律由最原始的尺寸不断缩小,演变为了三个方向:其一,延续传统摩尔定律的模式,通过尺寸不断缩小来提升芯片的性能和功耗;其二,成熟制程向高度集成化发展,这也是目前中国集成电路主推的方向;其三,发展新器件、新架构、新工艺以及新材料,最有代表性的便是目前主推的芯粒(Chiplet)技术。

一些颠覆性技术也开始浮出水面,复旦大学教授周鹏认为,后摩尔时代的颠覆性技术将从材料,器件,架构上进行革新,并给中国集成电路产业带来更多的发展机会。从材料上而言,碳纳米管集成电路电或者说广义的类碳基电子学将会为集成电路带来非常大的空间和发展机会。例如,二维原子晶体是后摩尔时代的电子器件重要载体。

从器件上来说,新材料会使器件具备很多新的特性。这些新的特性会产生新的功能。使得后摩尔或者说超越摩尔具备更多的可能。再通过碳硅融合这样一个可行性极强的技术路径,能够充分赋能我国新型科技体制,发挥制度优势,做到与国际先发单位竞争互补。

“在架构上,由于需求的变化,使我们具有了更多的发展机会,而不仅仅是沿着先进技术节点前进,这是非常重要的一个后摩尔时代特征。例如存算一体,感算一体,感存算一体等。根据不同的应用场景会有不同的优势。特别是新材料和新器件能够在新架构上具有独特的优势,可以与硅技术做到互融互补。”周鹏同《中国电子报》记者说道。

中国IC产业机遇与挑战并存

中国工程院院士、浙江大学杭州国际科创中心领域首席科学家吴汉明指出,“后摩尔时代”的来临,中国IC产业面临重大机遇。然而,尽管颠覆性技术的到来为中国半导体产业创造了无限可能的同时,也存在很多挑战。

异构集成是后摩尔时代典型的发展技术。该技术用于封装,在满足需求的情况下,采用芯粒(Chiplet)技术,可快速和有效的发挥出芯片的功能,具有设计难度低、制造便捷和成本低等优势。这一发展方向使得芯片发展从一味追求功耗下降及性能转向更加务实的满足市场需求,也成为了如今各大芯片厂商“宠儿”,例如,英特尔推出可将逻辑芯片与存储芯片进行3D封装的Foveros技术。台积电推出可以实现晶圆对晶圆的键合的多芯片堆叠SoIC技术等,都是架构创新方向的有益探索。与此同时,该项技术也是中国半导体产业在后摩尔时代的重点发展技术,也是与国际先进水平差距较小的技术

然而,尽管与传统是单片集成相比,Chiplet在许多方面具有很多优势和潜力,但是该技术的发展仍存在很多挑战,导致产业化迟迟无法落地。

第一,异构集成的基础是先进的封装技术,需要能够做到低成本和高可靠性,对于集成技术而言是一个很大的挑战,与此同时,对于这种“超级”异构系统,其更大的优化空间也同时意味着架构优化的难度也会大大增加。第二,如今异构集成能否成功的另一个大问题是质量保障。虽然相对传统IP,Chiplet是经过硅验证的产品,本身保证了物理实现的正确性。但它仍然有个良率的问题,而且如果SiP其中的一个硅片有问题,则整个系统都会受影响,代价很高。因此,集成到SiP中的Chiplet必须保证100%无故障,难度非常之高。

与此同时,浙江大学教授严晓浪也认为,尽管在Chiplet的高端先进封装技术方面,中国的技术创新与国际先进水平的差距相对较小,并且台绩电、三星、英特尔和苹果等大企业开展这方面工作已有数年,但基本上是自用技术,依旧没有形成产业体系。中国半导体产业若想在后摩尔时代实现Chiplet的产业化落地,也绝非易事。

脚踏实地,突破万难

可见,随着后摩尔时代的来临,对于我国半导体产业的发展而言,技术迭代的困难和挑战也随之而来,若想实现突破也绝非易事。“新的技术从技术到产品、到商品再到产业化,有很长的距离要走,并且哪条路经能够成功,目前来看还很难说。”芯谋科技芯谋研究首席分析师顾文军向《中国电子报》记者说道。

然而,尽管困难重重,后摩尔时代的来临也为中国半导体产业创造了“后来者居上”的可能。

“面对后摩尔时代的来临,若想实现突破,我们不仅要沿摩尔定律做先进技术节点产业链研发,也要为后摩尔时代的新技术、新材料、新器件来进行积极的扶持,充分发挥我国体制优势和科研院所人力优势,完全可以实现与国外先进技术的相互交叉推动。”周鹏说道。

周鹏举例,近期台湾大学、台积电与麻省理工学院共同提出的利用半金属铋(Bi)作为二维材料的接触电极的研究成果,也给我国半导体的发展带来了新的思路,这便是后摩尔时代,中国半导体产业实现竞争优势的重要砝码。

“这项新技术的突破,将解决二维半导体进入产业界的主要问题,是集成电路能在后摩尔时代继续前进的重要技术。二维半导体已被国际主要前沿集成电路研发机构重金投入,不管是在工艺突破还是新器件结构及设计制造方面,我国都处于同等位置,应该进一步加强优势,补足短板,在新一代集成电路关键技术上与国际机构形成竞争互补关系。在未来性能与功耗平衡上,此次二维半导体的接触电极技术的突破,将推动高性能低功耗CPU及存储器的发展。未来,随着芯片制程的不断延伸,每突破一步都是非常困难,在未来1nm甚至1nm以下的工艺中,如何能够把控好性能与功耗之间的平衡是目前需要突破的一大技术瓶颈,在关键工艺上实现碳硅融合也将是我国取得竞争优势的重要砝码。”周鹏说道。

可见,新的技术演进,对于后来者而言,是一个绝佳的超越机会。“但是成功也是需要积累的,目前还是要踏踏实实,把现在的技术、产品做好。同时对新技术保持高度的关注以及投入研发。”顾文军说道。

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