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半导体

中国科学院院士刘明:集成电路的创新与发展

2021年9月15日,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在上海临港新片区滴水湖畔成功举办,众多集成电路“芯”级大咖齐聚临港,共同分享中国集成电路发展的“芯”路历程。在本次论坛上,中科院院士、复旦大学芯片与系统前沿技术研究院院长刘明教授发表了演讲。她在演讲中表示,集成电路是一个基础性行业,是整个信息产业的基石,为互联网、手机、云计算等信息技术领域的高速发展提供了硬件基础支撑,具有非常大的带动作用。

刘明院士.png

集成电路行业的里程碑时刻

集成电路行业的发展有很多里程碑时刻,三位物理学家在贝尔实验室发明晶体管这一历史性突破,就是最需要被人铭记的“集成电路大事记”之一。刘明在演讲中表示,大约在10年之后,两位工程师在工业界分别发明了集成电路,仙童公司还发展了平面工艺,提出了新的模式架构,为集成电路的大规模生产打下了良好的基础。

如今便捷的存储技术,是得益于贝尔实验室研究人员发明的浮栅晶体管。刘明说,这个技术发明在当时并没有立刻得到应用,接近20年后,东芝公司的一位天才工程师发明了两种架构,从此NOR和NAND闪存就开始改变人们的生活。

之后,很多科学家和工程师发明了基于不同原理的器件和电路架构,这些意义重大的创新使集成电路可以应用到今天的方方面面。“可以说,晶体管和集成电路是20世纪最伟大的技术发明。”刘明谈道,经过几十年的发展,集成电路已经成为了一个独立行业,行业发展非常迅速。2018年,集成电路行业的产值接近4700亿美元,预计这个行业还将继续快速发展。

摩尔定律是集成电路行业的又一里程碑。刘明表示,从技术上来看,集成电路其实是一个发展得非常有规律的行业。正如摩尔定律所言,集成电路的工艺技术每18~24个月就会更新一代,新一代技术和上一代技术相比,它的面积会缩小,性能会提升,功耗也会降低。集成电路在一段时间里会一直沿着这样的规律发展。“在整个集成电路发展最美好的时期里,集成电路的尺寸不断微缩,密度不断增加,但是功率密度不变。”刘明说道。

技术创新是发展原始动力

为什么集成电路能够如此有规律地发展?刘明认为,在整个集成电路的发展历程中,技术创新是它的原始动力。回顾集成电路产业的发展,在尺寸微缩的整个历程中,无论是材料、器件结构,还是光刻技术、封装和EDA工具,甚至连商业模式都在不断发生着创新。

刘明以材料领域为例说道,上世纪80年代的集成电路生产线只有12种材料,上世纪90年代有五种新材料进入集成电路生产,21世纪以后有大量新材料进入产线。在刘明看来,今天的硅基集成电路更像一个平台,正因为自身的开放性和包容性,硅技术才能一直发展下去,让其他新技术和新材料弥补自己的不足。

器件结构也在一代一代地更新、发展。面对更高密度和更小尺寸的器件,光刻技术正在不断创新,EUV技术正在进一步演化。刘明指出,在7纳米工艺节点,EUV只用了5~6成,3纳米工艺节点有20层光刻要用到EUV技术,如果没有EUV技术是很难实现量产的。

能否将自由电子激光作为EUV光源?刘明在演讲中表示,这也是一个国际上比较热的话题。软科学等一些其他的技术同样会在光刻技术中起到越来越重要的作用。

在整个集成电路产业的发展过程中,尺寸微缩成为了一个最重要的驱动力,它的确曾经为集成电路性能的提升带来了非常大的红利。刘明以处理芯片为例说道,在集成电路发展的“美好时期”里,单纯依靠尺寸微缩,处理芯片的算力每年就可以提高52%,推动了计算机的高速发展。

但是现在,刘明指出,这一红利空间已经在逐步缩小。现阶段,单纯依靠尺寸微缩为处理芯片带来的性能提升只有3%左右。在很多情况下,处理芯片性能的提升都是依靠架构并行处理来实现的。

基于先进封装集成芯片

尺寸微缩能够走多远?集成电路产业应该选择哪条道路?刘明通过一系列数据在演讲中指出,目前如果微缩道路走不下去的话,先进封装其实是一条可以选择的道路。

“如果我们用做硅制造技术取代传统的封装,可以达到性能互联指数的提升。”刘明表示,目前这样的先进封装技术多种多样,命名方式也存在不同。从晶元堆叠、晶元级封装,再到晶体管级制造端异构集成,它们的精度可以向毫米和纳米演变,互联密度也在急剧增长。

“目前,基于先进封装集成芯片已经成为高性能芯片的首选。”刘明说道,在同等工艺节点下,如果采用先进封装技术进行芯片的集成,能够实现15%左右的性能提升。刘明强调,先进封装技术是目前所有高性能处理器的首选技术。她表示,无论是通过自研还是进口,短期内我们都没有办法获得可以用来做产品的EUV光刻机。在没有先进光刻机来发展先进制程的情况下,基于先进封装集成芯片应该是摆脱限制、发展自主高端芯片的必由之路。

集成电路产业的发展其实离不开强力推手。从早期的微处理器,到后来的手机芯片,再到现在的智能手机,都有一个可以支撑起一代技术并且拥有巨大市场需求量的产品。但是现在,智能物联网时代的序幕已经拉开。刘明表示,这是一个百家争鸣的时代,在这个时代里,人们很难找到一个可以支撑一代技术发展的单一产品。刘明认为,采用先进硅工艺设计用户会变少,因此根据产品需求选出适配的芯片,再用集成芯片技术整合成产品,就能够满足未来多样性市场的需求。“该技术也会为硬件开源带来新的机遇,在中国强大市场的推动下,我们一定可以形成自己的技术标准和生态。”刘明说。

在技术创新、技术产业化和生态建设的过程中,产业界需要有很强大的科研实力。刘明强调,从前瞻研究走向市场应用,产业界需要进行再次创新,拥有更多的科学研究积累。底层技术和基础产业如何坚守并且获得支持,才是产业走得好、走得稳的重要基础。

在演讲的最后,刘明倡议,希望在上海能够建一个集成芯片的开放平台,吸引人才来共同努力,最终帮助国家建立规范标准和自己的生态。

责任编辑:张依依


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