工程院院士吳漢明：后摩爾時代是追趕者的機會

6月10日消息（水易）在日前召開的“2021世界半導體大會暨南京國際半導體博覽會”上，中國工程院院士、浙江大學微納電子學院院長吳漢明發(fā)表《后摩爾時代的芯片挑戰(zhàn)和機遇》，詳解目前芯片制造領域存在的挑戰(zhàn)以及后摩爾時代將為集成電路產業(yè)發(fā)展帶來的機遇。

摩爾定律是在1965年，英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾提出。其核心內容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經過18個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能每隔兩年翻一倍。經過半個多世紀的發(fā)展，摩爾定律逐漸失效，關于集成電路的發(fā)展也進入全新的“后摩爾時代”。吳漢明指出，“后摩爾時代芯片性能提升速度放緩，對于追趕者而言一定是個機會。”

芯片制造工藝面臨三大挑戰(zhàn)，全球化不可替代

吳漢明表示，集成電路產業(yè)鏈太長、太寬。歸納集成電路產業(yè)鏈，涉及材料、設備、制造、裝備等領域的公司和研究機構，林林總總數(shù)量龐大。“既然產業(yè)鏈那么寬那么大，必然依賴于全球的流通，全球化的經濟模式才能把集成電路產業(yè)往前推。”

“正是因為這種流通，使得集成電路才能沿著摩爾定律發(fā)展到當今欣欣向榮的狀態(tài)。” 吳漢明強調，目前集成電路產業(yè)鏈的總體分為四大塊：設計（邏輯、分離、存儲）、IPEDA、裝備材料、芯片制造。“放眼中國的集成電路產業(yè)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、大硅片等材料基本空白，主要依賴進口。芯片制造雖然有中芯國際等廠商，但與國際先進水平相比，仍有差距。”

吳漢明重點介紹了芯片制造工藝方面面臨以下三大挑戰(zhàn)：

基礎挑戰(zhàn)：精密圖形。當下主要先進工藝都是用波長193nm的光源曝光出20nm-30nm的圖形，當波長遠大于物理尺寸時，物理尺寸就會非常模糊，這是精密圖形的挑戰(zhàn)。但現(xiàn)在，集成電路的光刻工程師卻能用波長193nm的光源曝光出幾十nm的圖形，突破了光學的限制。

核心挑戰(zhàn)：新材料。當光刻工藝解決以后，就要面臨新材料和新工藝的挑戰(zhàn)。本世紀以來有64種新材料陸續(xù)進入芯片制造，支撐摩爾定律往前發(fā)展，芯片的性能提升主要依賴新材料和新工藝。“集成電路芯片制造中，主旋律就是新材料、新工藝。如果沒有新材料，即使能把芯片尺寸做得很小，但性能卻無法提升。”

終極挑戰(zhàn)：提升良率。只有量產且通過一定良率的工藝才能被稱為成熟的成套工藝。吳漢明指出，“良率提升是所有芯片制造企業(yè)最頭疼、最艱難的挑戰(zhàn)。不管先進工藝做得多好，良率上不來，這個工藝就算不上成功。”

后摩爾時代追趕者機會大，要以產業(yè)技術為導向

隨著摩爾定律的逐漸失效，進入到后摩爾時代，面對這關鍵的三大挑戰(zhàn)，芯片技術有著怎樣的發(fā)展趨勢。

吳漢明表示，在后摩爾時代的發(fā)展過程中，高性能計算、移動計算、自主感知是集成電路產業(yè)的三大驅動力，這三大驅動引領著技術研發(fā)的八個主要內容，分別是邏輯技術、基本規(guī)則縮放、性能-功率-尺寸（PPA）縮放、3D集成、內存技術、DRAM技術、Flash技術和新興非易失性內存技術。目標PPAC（性能、功率、面積、成本）在2～3年內有一定的提升，提升幅度的范圍在15%～30%之間。

與此同時，后摩爾時代，芯片性能提升逐步放緩，意味著給了一直處于追趕狀態(tài)的我國而言是一個機會。“后摩爾時代，對于追趕者一定是個機會。”吳漢明說道。

吳漢明介紹了許居衍院士曾經提出的后摩爾時代四類技術方向：主流方向是硅基馮諾依曼架構，瓶頸在于功耗和速度的平衡問題；類硅模式是延續(xù)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(yè)前景技術方向；另外還有通過改變狀態(tài)來實現(xiàn)邏輯運行的新興范式，例如自旋器件、量子計算等。

“對于追趕者而言，不一定一味的追求先進工藝，更應該關注系統(tǒng)的性能。” 吳漢明指出，據(jù)統(tǒng)計，在去年集成電路的產品中，10nm制程以下的先進產能占17%，83%的市場都被相對成熟的制程占據(jù)。因此在高度重視前沿技術的同時，也要重視成熟制程所帶來的創(chuàng)新和市場空間。

據(jù)吳漢明介紹，目前國內已經有公司通過“成熟工藝+異構集成”的方式，利用40nm的成熟工藝+異構集成，性能可與16nm相媲美。“這也代表著后摩爾時代的技術延伸和發(fā)展方向。”

此外，集成電路的發(fā)展尤其要重視產業(yè)技術為導向的科技文化。吳漢明強調，通常實驗室做到的是點突破，但是產業(yè)需要的是面突破，是全方位突破，性能做好只是一個步驟，還要考慮良率、成本等綜合因素。“技術的成功與否就是靠商業(yè)化，如果做一個技術不能商業(yè)化，那么價值不會太高。”

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