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吳漢明院士:後摩爾時代是追趕者的好機會

2021-06-10 由【】發表於 科技

1965年,戈登·摩爾觀察計算機存儲器晶體管數目,總結得出集成電路上可容納的晶體管數目每隔兩年就會增加一倍的規律,摩爾定律就此誕生。五十多年過去瞭,隨著晶體管微縮逐漸逼近技術極限,關於摩爾定律的討論進入新階段。

發展放緩的後摩爾時代,一面是產業繼續向前推進需要解決的技術挑戰,另一面也為中國半導體的發展帶來新機遇。本周三,在2021世界半導體大會暨南京國際半導體博覽會的開幕式上,中國工程院院士、浙江大學微納電子學院院長吳漢明教授指出:“後摩爾時代芯片性能提升速度放緩,對追趕者來說,一定是一個機會。”

集成電路產業鏈長是主要挑戰,全球化不可替代

在半導體產業建設初期,半導體廠商以IDM為主,隨著制造工藝進步和晶圓尺寸擴大,設計、制造芯片所需耗費資金日漸攀升,除瞭少數財力與實力並存的IDM廠商能夠繼續擴張外,其他半導體廠商寸步難行。

為瞭提高競爭力,不少IDM拆分,垂直細分的Fabless、Foundry等新模式出現,加上上遊原材料和生產設備本就復雜多樣,半導體產業發展至今已建起完整的全球產業鏈。如果將集成電路產業鏈按照IP、設計、裝備材料和芯片制造四個領域進行分類,IP和EDA基本被美國壟斷,日本韓國在存儲器、材料方面占優勢,中國的芯片制造和封測在全球范圍內稍有實力。

不過,這也意味著目前就算是再強大的芯片公司,也需要依托產業鏈上下遊的夥伴才能正產運轉,中國芯片公司亦是如此。

“集成電路產業面臨的主要挑戰是產業鏈太長、太寬,歸納集成電路材料、裝備、設計、制造等領域的公司和研究所,林林總總數量龐大。”吳漢明在2021世界半導體大會上說道。吳漢明同時指出,放眼中國的集成電路產業鏈建設,光刻機、檢測等裝備是主要需要攻關的方向,光刻膠、掩膜版、大矽片等材料基本空白,主要依賴進口,雖然芯片制造上有中芯國際、華虹宏力有所發展,但與國際先進水平相比,依然有三代差距。

如果一個國傢和地區要改變半導體產業鏈的全球格局,在國內打造完整的半導體產業鏈,需要付出多大的代價?“近期美國政府做瞭相關評估,如果美國要打造本土完全自主可控的半導體生態圈,需要耗費9000億至12000億美元,後果是相關產品在美國市場上漲價至65%。”吳漢明說道。

雖然中國沒有做過類似的調研,但就中國在全球半導體產業鏈的份額來看,所需耗費金額將不亞於美國。

產業鏈之龐大是中國發展半導體產業面臨的主要挑戰,這也決定瞭半導體行業全球化不可替代。

芯片制造工藝面臨三大挑戰,後摩爾時代是追趕者的機會

不過,認為半導體產業全球化不可替代並不意味著我國發展大力發展集成電路產業,努力追趕國際先進水平就是錯誤的。吳漢明同時指出,我國集成電路在上世紀50年代並不落後,產能領先日本兩年,落後美國六年,但到1996年,我國已經落後日本20年,產能提升刻不容緩。

後摩爾時代為中國半導體的發展帶來挑戰與機遇。吳漢明總結瞭高端芯片制造工藝面臨的三大挑戰,包括基礎挑戰精密圖形、核心挑戰新材料和終極挑戰提升良率。

吳漢明解釋,當下主要先進工藝都是用193nm波長的光源曝光出20-30nm的圖形,當波長遠大於物理尺寸時,物理尺寸就會非常模糊,這是精密圖形的挑戰。

當光刻工藝解決以後,就要面臨新材料和新工藝的挑戰。“本世紀以來有64種新材料陸續進入芯片制造,支撐摩爾定律往前發展,芯片的性能提升主要依賴新材料和新工藝。”

“對於所有芯片企業而言,良率提升是最艱難最頭疼的挑戰,不論先進工藝做得多好,良率上不去,這也不能被視為成功。”吳漢明補充到。

與此同時,後摩爾時代,芯片性能提升放緩,以至於業界都在尋找新的技術方向進一步加速提升芯片性能,這對多年以來一直處於追趕狀態的我國而言是好機會。

吳漢明介紹瞭許居衍院士曾經列舉的後摩爾時代四類技術方向:“矽-馮”范式是主流,但這一范式正面臨功耗與速度提升瓶頸;新興技術中的類矽模式是延續摩爾定律的主要技術;3D封裝、存算一體等類腦模式是當前熱門,是產業前景技術方向;另外還有通過改變狀態來實現邏輯運行的新興范式,例如自旋器件、量子計算等。

這些新的技術方向,都是中國半導體的發展機會。“芯盟科技異構單芯片集成技術和紫光國芯SeDRAM直接鍵合異質集成都是不錯的例子。”吳漢明說道。

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