吳漢明院士對(duì)“后摩爾時(shí)代的芯片挑戰(zhàn)和機(jī)遇”思考

1   摩爾定律已到盡頭

摩爾定律是在1965 年由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出來的，他指出，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件數(shù)量約每年增加1 倍，性能也將提升1 倍。

但是這個(gè)節(jié)奏做了10 年以后發(fā)現(xiàn)不行，因?yàn)橘崄淼腻X不夠支撐研發(fā)，因此1975 年修正為：每2 年把晶體管的密度增加1 倍。以這樣的節(jié)奏，技術(shù)研發(fā)的資金可以從商業(yè)盈利中掙出來。這種每2 年將集成電路晶體管密度加1 倍的提法持續(xù)了將近50 年。

吳漢明院士讀大學(xué)時(shí)，計(jì)算機(jī)叫8008（注：基于英特爾8008 微處理器），那時(shí)約有2 400 個(gè)晶體管，現(xiàn)在英特爾CPU 大概有10 億以上的晶體管。所以直到現(xiàn)在，英特爾是在用每2 年翻一番的節(jié)奏推出CPU。

持續(xù)的摩爾定律帶來了什么樣的結(jié)果？ 20 世紀(jì)70年代，1 個(gè)晶體管大概1 美元（1 美元約為6.5 元人民幣），現(xiàn)在1 美元可以買幾百萬個(gè)晶體管，晶體管的價(jià)格降到了百萬分之一?，F(xiàn)在的手機(jī)至少有2 億以上的晶體管，一般是幾百億個(gè)晶體管。如果回到20 世紀(jì)70 年代，手機(jī)成本就是幾百億美元！因此，摩爾定律的技術(shù)延伸給我們的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)帶來的影響是當(dāng)初不可想象的。

摩爾定律的發(fā)展支撐了通信技術(shù)，從1G、2G 直到現(xiàn)在的5G，整個(gè)通信技術(shù)的發(fā)展完全是基于集成電路技術(shù)的發(fā)展， 從130 nm 到當(dāng)今的14 nm、7 nm、5 nm ……

同樣，人工智能（AI）也是由于摩爾定律的支撐才能發(fā)展到今天。AI 計(jì)算機(jī)可模擬神經(jīng)元特征，進(jìn)行存算一體等計(jì)算，具有并行性、低功耗的特點(diǎn)，因此具有廣闊的產(chǎn)業(yè)前景。

中國(guó)工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長(zhǎng) 吳漢明

通過圖1 可見，從20 世紀(jì)70 年代到2015 年之前，性能按照摩爾定律一代一代提升。但是到2015 年，其中4 條線已經(jīng)無法繼續(xù)提升了，包括從單核發(fā)展到上百個(gè)核。性能、功耗等幾乎都到達(dá)了瓶頸，唯一的晶體管密度還是隨著時(shí)間的延伸繼續(xù)翻一番——還在遵循摩爾定律的節(jié)奏。但是摩爾定律有一個(gè)基本假設(shè)，技術(shù)往前走的同時(shí)，價(jià)格不能變，而實(shí)際上在2014 年/28 nm 時(shí)，每100 萬個(gè)晶體管約2.7 美分，當(dāng)走到20 nm 制程時(shí)，100 萬個(gè)晶體管就需要2.9 美分，這表明單個(gè)晶體管的價(jià)格在上漲，實(shí)際上違背了初衷——晶體管的價(jià)格不能往上升。

圖1 后摩爾時(shí)代的特征

中國(guó)科學(xué)家許居衍院士在30 年前（注：1992 年的中國(guó)電子學(xué)會(huì)第五次學(xué)術(shù)年會(huì)文集）就預(yù)測(cè)在2014—2017 年，摩爾定律可能走到盡頭，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到在2014年/28 nm 時(shí)摩爾定律就走不動(dòng)了。但是許院士認(rèn)為硅基的生命還是很長(zhǎng)的，今后還有很長(zhǎng)的時(shí)間在硅上延伸。

2   集成電路產(chǎn)業(yè)離不開全球化

集成電路產(chǎn)業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是產(chǎn)業(yè)鏈太長(zhǎng)、太寬。集成電路企業(yè)、公司、研究機(jī)構(gòu)很多，主要是材料、設(shè)計(jì)、制造、裝備類。

既然這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈很寬很長(zhǎng)，必然依賴于全球的流通。正是因?yàn)檫@種流通，使集成電路才能沿著摩爾定律發(fā)展到當(dāng)今欣欣向榮的狀態(tài)。

既然是全球化產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)鏈的總體分布主要分成四大類：EDA/IP、設(shè)計(jì)（邏輯、分立、存儲(chǔ)）、裝備和材料、制造和封測(cè)，構(gòu)成了集成電路產(chǎn)業(yè)鏈（如圖2）。

全球芯片制造的主要裝備有：光刻、刻蝕、CVD、CMP、檢測(cè)等，這些裝備各個(gè)國(guó)家所占的比例如圖3所示。

3   制造工藝的三大挑戰(zhàn)

1）基礎(chǔ)挑戰(zhàn)：精密圖形。以光刻機(jī)為主要裝備的工藝現(xiàn)在主要是用波長(zhǎng)193 nm 的光源曝光出二三十納米的圖形。根據(jù)光學(xué)基本知識(shí)，當(dāng)波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于物理尺寸時(shí)，物理尺寸的投影會(huì)非常模糊，但是光刻工程師就做到了，現(xiàn)在7 nm 也可以用193 nm 波長(zhǎng)的曝光工藝。

2）核心挑戰(zhàn)：新材料。21 世紀(jì)以來有64 種新材料（銅、鍺、鎳、高K 等）陸續(xù)進(jìn)入集成電路芯片制造，支撐摩爾定律的推進(jìn)。圖4 的5 組數(shù)據(jù)就是從（130~30）nm五個(gè)技術(shù)代，藍(lán)色部分表示只是尺寸的縮小，性能上沒有提升，這說明如果僅靠技術(shù)向前走，沒有新材料也是沒有用的——雖然可以做得很小，但是根本性能上不來。

性能提升主要靠新材料，像硅、銅等使32 nm 的性能得到70% 的提升。實(shí)際上，這一階段的技術(shù)提升完全是靠新材料支撐。所以在集成電路芯片制造中，主旋律就是新材料、新工藝。每種材料需要做數(shù)千次工藝實(shí)驗(yàn)。新材料支撐成套工藝的研發(fā)。

3）終級(jí)挑戰(zhàn)：提升良率。因?yàn)楣に嚵鞒讨蟹e累大量統(tǒng)計(jì)誤差，假設(shè)每步良率99.9%，最后導(dǎo)致千步良率37%。所以這是所有芯片制造企業(yè)最頭疼、最艱難的挑戰(zhàn)。不管先進(jìn)工藝做得多好，良率上不來，這個(gè)工藝就不能算成功，只有達(dá)到一定良率才能說是成熟的成套工藝。

圖3 全球芯片制造裝備

4   后摩爾時(shí)代的芯片技術(shù)趨勢(shì)

在后摩爾時(shí)代發(fā)展中，產(chǎn)業(yè)主要有3 個(gè)驅(qū)動(dòng)力：高性能計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、自主感知，例如物聯(lián)網(wǎng)就需要這3 方面的驅(qū)動(dòng)。

這引導(dǎo)了8 項(xiàng)技術(shù)研發(fā)：邏輯技術(shù)、基本規(guī)則縮放、性能- 功率- 尺寸（PPA）縮放、3D 集成、存儲(chǔ)技術(shù)、DRAM 技術(shù)、閃存技術(shù)、新興非易失性內(nèi)存技術(shù)。

目標(biāo)主要是4 個(gè)：PPAC（ 性能、功率、面積、成本），它們必須在2~3 年內(nèi)分別提升15%~30%。①性能：電壓不變，工作頻率增加15% 以上；②功率：性能不變，功率減少30% 以上；③面積：減少30% 的芯片面積；④成本：晶圓成本增加＜ 30%，使得縮放裸片成本減少15%。

后摩爾時(shí)代，性能的發(fā)展速度慢下來了。據(jù)AMAT- 興業(yè)證券經(jīng)濟(jì)與金融研究院研報(bào)，1986—2002 年，每年的性能約提升52%；2002—2010 年，每年提升23%；2010—2014 年，每年提升12%；最近可以看到性能提升約3.5%。這意味著給了我們追趕者機(jī)會(huì)。摩爾定律走到盡頭叫后摩爾時(shí)代，對(duì)于追趕者是個(gè)機(jī)會(huì)。

通過各種各樣的結(jié)構(gòu)改變做成新型器件，使技術(shù)能夠沿著摩爾定律繼續(xù)往前走，但是瓶頸是功耗和速度呈非常矛盾的比例關(guān)系——頻率的三次方是功耗，功耗會(huì)以這樣的速度上升。新興技術(shù)包括TFET（隧穿）等是延續(xù)摩爾定律的主要方向（如表1）?！邦惸X模式”也很熱門，是有很好產(chǎn)業(yè)前景的技術(shù)方向。相對(duì)基礎(chǔ)一點(diǎn)、遙遠(yuǎn)一點(diǎn)的包括通過改變狀態(tài)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)行的新型范式，自旋電子的方向以及量子計(jì)算的新模式可能是未來新型集成電路的發(fā)展方向，但是這個(gè)方向是非常前沿的，最近5~10 年基本看不到產(chǎn)業(yè)化。

統(tǒng)計(jì)2020 年的集成電路制程，可以看到10 nm 節(jié)點(diǎn)以下的先進(jìn)產(chǎn)能僅占17%，而83% 的市場(chǎng)是相對(duì)成熟的技術(shù)節(jié)點(diǎn)（圖5），所以這83% 的創(chuàng)新空間應(yīng)該引起高度重視——盡管前沿技術(shù)要高度重視，但是成熟工藝上的發(fā)展空間也很大。

圖4 新材料的帶動(dòng)作用

既然先進(jìn)工藝很難走下去，用戶及芯片設(shè)計(jì)公司最關(guān)心的應(yīng)該是系統(tǒng)性能。很高興看到國(guó)內(nèi)有一家新創(chuàng)立的公司——芯盟科技，通過異構(gòu)集成，用40 nm 的工藝實(shí)現(xiàn)了可以和16 nm 相媲美的性能。這種通過比較成熟的工藝做出先進(jìn)的系統(tǒng)，在后摩爾時(shí)代是非常好的方向。

圖5 10 nm節(jié)點(diǎn)以下先進(jìn)產(chǎn)能占17%

5   樹立以產(chǎn)業(yè)技術(shù)為導(dǎo)向的科技文化

吳漢明院士非常認(rèn)可樹立產(chǎn)業(yè)技術(shù)導(dǎo)向的科技文化。

1）產(chǎn)業(yè)技術(shù)不是科研機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化后的應(yīng)用開發(fā)，而是引導(dǎo)科研的原始動(dòng)力。如果定課題的時(shí)候定的研究方向就是產(chǎn)業(yè)技術(shù)，其實(shí)不應(yīng)該存在轉(zhuǎn)化問題。轉(zhuǎn)化是一個(gè)加生飯，因?yàn)楸緛眍}目方向定不好，成果做完了才要轉(zhuǎn)化到企業(yè)，這個(gè)動(dòng)作是很奇怪的。例如英特爾或臺(tái)積電根本沒有研發(fā)線，就是在線上做研發(fā)，成果就地轉(zhuǎn)化，沒有轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去的事。轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去說明當(dāng)時(shí)做的事情沒想明白。當(dāng)然做基礎(chǔ)研究可以這樣做，做集成電路還是需要產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)的科技文化。

2）通常實(shí)驗(yàn)室做的是點(diǎn)的突破，一俊遮百丑，而產(chǎn)業(yè)技術(shù)不能有明顯短板。產(chǎn)業(yè)需要的是面的突破、全方位的突破，性能做好了只是一個(gè)步驟，產(chǎn)業(yè)化包括良率、成本等綜合因素。

在集成電路方面，吳漢明院士非常認(rèn)可、提倡產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)的科技文化，同時(shí)商業(yè)成功是檢驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新的唯一標(biāo)準(zhǔn)——如果做一個(gè)技術(shù)不能商業(yè)化，價(jià)值不會(huì)那么高。

3）技術(shù)的3 階段、企業(yè)與科研院所/ 高校的關(guān)系技術(shù)研發(fā)分為3 個(gè)階段：首先是前沿技術(shù)，通常由高校、研究所做的前沿技術(shù)；然后發(fā)展到產(chǎn)前技術(shù)；最后實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)（如圖6）。

3 個(gè)節(jié)點(diǎn)有機(jī)聯(lián)合起來，前沿技術(shù)和產(chǎn)前技術(shù)基本上是供給側(cè)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的研究模式，高校和科研院所是主力部隊(duì)；從產(chǎn)前技術(shù)到產(chǎn)業(yè)技術(shù)基本上是企業(yè)引領(lǐng)的市場(chǎng)需求的工作，所以在供給側(cè)和需求側(cè)重合的地方就是產(chǎn)前技術(shù)。

在這個(gè)指導(dǎo)下，浙江大學(xué)正在建設(shè)12 英寸（1 英寸約為2.54 cm）成套工藝研發(fā)平臺(tái)，目的有3 個(gè)：①希望把設(shè)計(jì)和制造創(chuàng)新一體化，同時(shí)也是針對(duì)后摩爾時(shí)代碎片化的市場(chǎng)以小批量、多樣化在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行很多創(chuàng)新、驗(yàn)證的機(jī)會(huì)；②在學(xué)生培養(yǎng)方面，需要做新工科的學(xué)院建設(shè)，讓學(xué)生有更多的產(chǎn)教融合的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景；

③希望突破一些產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展瓶頸，包括新材料、新裝備、新零部件、新運(yùn)營(yíng)模式等，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)線上可以進(jìn)行嘗試。

圖6 技術(shù)三階段、企業(yè)與科研院所/高校的關(guān)系

4   小結(jié)

1）全球化是不可替代的途徑，需要企業(yè)國(guó)際化、外企本土化。集成電路的發(fā)展一定是全球化的，某些國(guó)家說單邊主義發(fā)展其實(shí)是沒有前途的。

2）芯片制造三大核心挑戰(zhàn)：圖形轉(zhuǎn)移、新材料和工藝、良率提升。

3）后摩爾時(shí)代的產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨緩，創(chuàng)新空間和追趕機(jī)會(huì)大；

4）樹立產(chǎn)業(yè)技術(shù)導(dǎo)向的科技文化，技術(shù)成功全靠市場(chǎng)鑒定。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）