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我为“十四五”建言丨北京理工大学前沿交叉科学研究院副院长王业亮:拓展赛道 力争引领下一代半导体技术发展

作者:王业亮来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2021-01-13 07:44我要评论

面对新冠肺炎疫情影响的新形势,为实现国家新基建、大物流、数字经济、信息强国等战略布局,我国的半导体产业必须提供强大的韧性支撑。

我国半导体市场消费能力仍远高于生产能力

根据世界半导体贸易统计组织(WSTS)的数据,2019年世界半导体市场规模达到了4540亿美元。2021年东亚区域的半导体制造市场预计会成长1330亿美元。

我国半导体产业起步较晚,但是发展迅速。根据统计,中国半导体工业市场在2018年仅850亿美元,而在2019年增长25%左右,达到1100亿美元。由于半导体产业具有的环境复杂、开发成本高、研发周期长等特征,并且其发展需要多个产业相互结合促进,尤其需要强大的精密工业制造基础,这导致了我国半导体产业目前发展不均衡,消费能力仍远高于生产能力,并且差距还在逐年递增。

从新技术发展和新产品开发来看,国际顶级大公司仍处于霸主地位。为了抢占未来市场份额与知识产权,这些公司还在不断提出新的技术与发展规划。例如多家公司基于传统MOS技术,采用先进的Fin-FET技术架构,逐步实现了从22nm工艺到5nm工艺的更替,并向着3nm制程挺进。其中,三星于2019年提出了针对3nm技术节点的全栅工艺(GAA-FET)。

回顾过去,我国半导体产业仍没有走出“迭代卡脖子”的怪圈,其根源在于核心装备的缺失。半导体产业的发展是一个多产业综合促进的过程,尤其以国家精密设备制造业为重。工业母机是整个工业体系的基石和摇篮,但我国对工业母机这种“制造设备的设备”重视程度不够,并且没有形成统一的公共工业基准,加上国际出口限制,导致我国半导体产业相关制备设备发展滞后,关键装备及核心技术依然落后。另外,由于我国高端技术发展起步较晚,导致相关技术(专利)壁垒已经形成。

回顾过去,我国半导体产业仍缺少核心技术专利。新概念、新思路的提出一直是技术发展的先决条件,也是帮助相关领域发展赢在起跑线的基础。指导信息领域和半导体产业的新概念和思路,如“冯·诺依曼”架构、“摩尔定律”、类脑计算、量子芯片等概念,均由西方国家率先提出,中国在创建主导领域发展的概念与思路方面仍然有较大差距,没有形成核心技术专利。核心技术专利在国外,导致我国在高端技术领域发展上难以占得先机。国际半导体大公司平均研发投入长期保持在营业额的20%,但是我国半导体企业迫于生存压力,难以投入充足的研发资金,这也造成了人才吸引力度不够,半导体人才缺乏的后果。因此,造成了技术落后、市场窄、利润低、人才短缺的恶性循环。

新材料和新器件不断面市

立足当前,基于新理念的新材料和新器件将不断被提出。当前半导体电路集成度越来越高,器件尺寸越来越小,如芯片的功耗过高和量子尺寸效应等新的科学问题,已经成为世界科技前沿研究的热点和难点,解决途径之一是探索新材料及新原理器件。基于新理念的新材料和新器件也被提出,以满足未来信息器件低能耗、高效率、高可靠性的要求。

作为电子信息领域的基础,半导体信息技术为信息领域提供了大量的工业设备与核心元件。随着5G通信、人工智能、物联网等技术的发展,半导体信息技术正朝着低能耗、高效率、高可靠性的方向迈进。为满足未来信息器件低能耗、高效率、高可靠性的要求,在国际前沿科学研究来看,新概念新原理新器件在不断提出。

立足当前,在面向未来信息器件的新材料和新理念方面,中国在国际上具有较大的影响力。例如,过去几年,中国科学家发表在国际顶级刊物论文逐年增加。但是,我们必须保持清醒的头脑,高端学术论文还只是研究成果的表现形式,还没有对前期投入产出倍增效益。如果论文成果没有转化为新技术,没有从实验室走向生产线,“科研和技术两张皮”现象没有克服,就难以改变半导体技术和产业落后的局面。

当前,新型二维材料在电子学、光学和磁学等方面表现出新奇特性,被称为“未来材料”或“变革性材料”。具有高迁移率、高光电响应、自旋量子效应等性能的新型二维材料开发、新原理器件探索、与现有硅基微电子器件的互补、智能芯片的设计等,处于世界研究前沿,正在成为国际新兴研究领域。量子计算器件是实现低功耗、高效率、高可靠性的新兴概念之一。类脑计算及器件被认为是下一代人工智能的重要方向,借鉴人类大脑可并行处理信息数据和具备自主学习能力,并且有着超低功耗和高集成,得到业内的广泛支持。

力争引领下一代半导体技术发展

展望未来,我国需加大对新的颠覆性技术研究的支持力度,拓展赛道,引领前沿技术发展,避免出现“迭代卡脖子”现象。目前,信息器件及系统的制造采用“自上而下”加工技术,精度达到纳米尺度。然而,在纳米尺度下,加工制造遇到了原理性的瓶颈和壁垒,探索和发展新的信息器件制造技术势在必行。近年来,以二维材料、量子点为代表的纳米尺度新材料的出现,为发展新的加工制造技术提供了基础。发展原子精度的加工制造技术,发展“自下而上”的变革性制造技术,实现器件的图案化、自组装及系统的集成,对于提升国家核心竞争力也具有战略意义。

展望未来,我国需加快引领下一代半导体技术的发展。当前,新兴二维电子信息材料、新奇拓扑物性、基于超快光学的新应用这三个国际重大前沿方向分别于2010年、2016年、2018年被授予了诺贝尔奖。把这些处于国际前沿方向的技术作为突破口,有望制备具有拓扑电子态的新型二维电子材料,发掘电子能谷极化等新现象,有望构建基于谷电子的新原理器件。一方面,拓扑材料具有新奇性质,其电子运动方向具有选择性,可显著降低传导电子间的散射、减小宏观电阻、降低热耗。另一方面,利用二维层间近邻效应,有望在材料中引入新奇特性例如局域电场和磁场,产生光电流不需要外加电场,响应速度快到飞秒级,可望研究出无需外加电场或者磁场的低功耗高速器件以及新原理性器件,例如低功耗自旋电子器件、高容错性量子计算器件、超快光电响应器件以及光电互联器件等。这些新型信息器件不仅仅对于基础科学具有重大意义,而且有望牵引信息、材料、生物、医学和能源等多个领域的发展,对于提升国家核心竞争力具有战略意义。若在诸如此类的多个方面取得国际重大影响力的突破,相信不久的将来,我国将引领下一代半导体技术及产业的发展。


责任编辑:赵强
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