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技术创新是集成电路创新的原动力

2021-09-15 廖均 阅读:
科学研究是需要积累的,从前瞻研究到市场应用需要创新和时间,坚守和支持底层技术和基础产业,是我们国家半导体产业稳固发展的基础。

为推动临港新片区打造国际一流的综合性集成电路产业创新基地,加强链接全球创智资源的开放式创新生态,提升世界级“东方芯港”品牌效应,推动集成电路技术创新及产业协同发展, 加强产业链协同合作,由临港集团主办、ASPENCORE 承办的第二届中国(上海)自贸区临港新片区半导体产业发展高峰论坛于 2021年 9 月 15 日 在上海临港新片区举行,大会以“新变局下的全球半导体合作与机遇”为主题,邀请晶圆制造、封测、EDA/IP、IC设计、分销、EMS全产业链公司近百位高层参会,交流集成电路产业发展机会,分享最前沿的技术趋势及科研成果。Cd1ednc

中国科学院院士、复旦大学芯片与系统前沿技术研究院院长及教授刘明女士在会上做了题为“集成电路的创新与发展”的主题演讲。Cd1ednc

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演讲一开始,刘明提到了集成电路发展历程中需要铭记的几个大事件。首先是三位物理学家在贝尔实验室发明了晶体管;差不多10年以后,两位工程师在工业界分别发明了集成电路,同时还发展了平面工艺,提出了C模式架构,这为集成电路生产打下了良好的基础。Cd1ednc

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后续很多科学家或者工程师发明了不同原理的器件以及电路架构,使得集成电路可以应用到今天的方方面面,这是一个巨大的变化。可以说晶体管和集成电路是20世纪最伟大的技术发明,经过几十年发展集成电路其实成为一个独立行业,这个行业的发展非常迅速。例如,2018年集成电路行业的产值接近4700亿美元,预计2035年产值会增加到一个T。这个行业产值巨大,跟汽车行业相当,同时还是一个基础行业,是整个信息产业的基石,为今天信息技术,包括PC、互联网、手机、云计算等领域的高速发展提供了硬件基础支撑。Cd1ednc

集成电路作为一个基础产业还有巨大的带动作用。2018年对全球GDP贡献4.7千亿美元,间接贡献可以达到3.7G亿。Cd1ednc

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集成电路是一个发展非常有规律的行业。摩尔定律是工艺技术每18-24个月会更新一代,新的一代技术和上一代技术相比它的面积会缩小,性能会提升,功耗会降低。为什么集成电路可以这么有规律的发展呢?刘明认为,在整个IC发展历程中技术创新才是它的原始动力。回顾IC的发展,实际是尺寸微缩驱动发展,在尺寸微缩的过程中,无论是材料、器件结构、光刻技术、封装,乃至EDA工具甚至于商业模式,都在不断进行创新。Cd1ednc

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刘明以材料的发展为例作了进一步解释。80年代集成电路生产线只有12种材料,90年代有5种新材料进入IC生产,进入20世纪以后有大量新材料进入产线。今天硅基集成电路更像一个平台,正因为硅技术的开放和包容性,才使得这个技术能够长存下去。某种材料的不足可以由其他新技术和材料来弥补,器件结构也发生了很大变化。CMOS技术很怕沾污,为了克服这一缺陷,其结构由平面改成了FinFET再到 nanosheet-Fork-sheet,利用了空间微缩效应,沟道静电控制大幅提升。Cd1ednc

随着器件结构一代一代地演化,要想在这么高的密度上实现这么小尺寸的器件,光刻技术起到了非常重要的作用。整个光刻发展历程中也出现了无数的创新。7纳米的时候EUV只用了5-6层,3纳米有20层光刻要用到EUV,如果没有EUV技术便很难量产。整个IC发展中尺寸微缩成了一个最重要的驱动力,它的确为IC性能提升带来了非常大的红利。以处理芯片为例,从前单纯靠尺寸微缩,算力每年就可以提高52%,从而推动了计算机的高速发展。但这一红利空间已逐步缩小,现在单纯靠尺寸微缩带给处理芯片的性能提升只有3%左右,性能提升主要靠架构并行处理来实现。Cd1ednc

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尺寸微缩能走多远?IC该选择哪条道路?算法和芯片都是指数级上升,PCB封装线性上升,HBM(集成芯片)也实现指数级上升。目前如果微缩道路走不下去的话,采用先进的封装技术是一条可以选择的道路。Cd1ednc

传统的封装技术虽然也在逐步进步,但依然是影响系统性能的瓶颈。反过来,如果用硅精密制造技术取代传统封装,就可以达到性能/互联指数的提升。目前的封装技术混杂,如芯片堆叠、晶圆级封装、晶体管级异构集成,精度从毫米进步到纳米演,互联密度也增大了。Cd1ednc

目前基于先进封装的集成芯片已经成为高性能芯片的首选,在同等工艺节点下如果采用先进封装集成芯片,大概能够实现15%的性能提升,相当于一代半导体工艺节点技术的进步。由于光刻机受限,要做产品的研发很困难,基于先进封装集成芯片是摆脱限制、发展自主高端芯片必由之路。Cd1ednc

从未来产业角度来看,整个IC发展都有一个强大的推手。早期微处理器,到后来手机芯片,到现在的智能手机都由单一的产品支撑了一代技术的发展。而到了物联网时代,很难找到这样一个产品有如此大的量,可以支撑一代技术的发展。在这样一个百家争鸣的时代,根据产品需求选出适配的芯片,再用集成芯片整合成产品,可以满足未来多样性市场的需求。这样的技术也会为硬件开源带来新的机遇,中国强大市场推动下一定可以形成自己的技术标准和生态。Cd1ednc

演讲最后,刘明强调,科学研究是需要积累的,从前瞻研究到市场应用需要创新和时间,坚守和支持底层技术和基础产业,是我们国家半导体产业稳固发展的基础。Cd1ednc

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廖均
电子技术设计(EDN China)产业分析师
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