1965年，戈登·摩爾觀察計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器晶體管數(shù)目，總結(jié)得出集成電路上可容納的晶體管數(shù)目每隔兩年就會(huì)增加一倍的規(guī)律，摩爾定律就此誕生。五十多年過(guò)去了，隨著晶體管微縮逐漸逼近技術(shù)極限，關(guān)于摩爾定律的討論進(jìn)入新階段。

發(fā)展放緩的后摩爾時(shí)代，一面是產(chǎn)業(yè)繼續(xù)向前推進(jìn)需要解決的技術(shù)挑戰(zhàn)，另一面也為中國(guó)半導(dǎo)體的發(fā)展帶來(lái)新機(jī)遇。本周三，在2021世界半導(dǎo)體大會(huì)暨南京國(guó)際半導(dǎo)體博覽會(huì)的開幕式上，中國(guó)工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長(zhǎng)吳漢明教授指出：“后摩爾時(shí)代芯片性能提升速度放緩，對(duì)追趕者來(lái)說(shuō)，一定是一個(gè)機(jī)會(huì)?！?/strong>

集成電路產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)是主要挑戰(zhàn)，全球化不可替代

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)建設(shè)初期，半導(dǎo)體廠商以IDM為主，隨著制造工藝進(jìn)步和晶圓尺寸擴(kuò)大，設(shè)計(jì)、制造芯片所需耗費(fèi)資金日漸攀升，除了少數(shù)財(cái)力與實(shí)力并存的IDM廠商能夠繼續(xù)擴(kuò)張外，其他半導(dǎo)體廠商寸步難行。

為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，不少IDM拆分，垂直細(xì)分的Fabless、Foundry等新模式出現(xiàn)，加上上游原材料和生產(chǎn)設(shè)備本就復(fù)雜多樣，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今已建起完整的全球產(chǎn)業(yè)鏈。如果將集成電路產(chǎn)業(yè)鏈按照IP、設(shè)計(jì)、裝備材料和芯片制造四個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行分類，IP和EDA基本被美國(guó)壟斷，日本韓國(guó)在存儲(chǔ)器、材料方面占優(yōu)勢(shì)，中國(guó)的芯片制造和封測(cè)在全球范圍內(nèi)稍有實(shí)力。

不過(guò)，這也意味著目前就算是再?gòu)?qiáng)大的芯片公司，也需要依托產(chǎn)業(yè)鏈上下游的伙伴才能正產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，中國(guó)芯片公司亦是如此。

“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，歸納集成電路材料、裝備、設(shè)計(jì)、制造等領(lǐng)域的公司和研究所，林林總總數(shù)量龐大。”吳漢明在2021世界半導(dǎo)體大會(huì)上說(shuō)道。吳漢明同時(shí)指出，放眼中國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，光刻機(jī)、檢測(cè)等裝備是主要需要攻關(guān)的方向，光刻膠、掩膜版、大硅片等材料基本空白，主要依賴進(jìn)口，雖然芯片制造上有中芯國(guó)際、華虹宏力有所發(fā)展，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，依然有三代差距。

如果一個(gè)國(guó)家和地區(qū)要改變半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的全球格局，在國(guó)內(nèi)打造完整的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，需要付出多大的代價(jià)？“近期美國(guó)政府做了相關(guān)評(píng)估，如果美國(guó)要打造本土完全自主可控的半導(dǎo)體生態(tài)圈，需要耗費(fèi)9000億至12000億美元，后果是相關(guān)產(chǎn)品在美國(guó)市場(chǎng)上漲價(jià)至65%?！眳菨h明說(shuō)道。

雖然中國(guó)沒(méi)有做過(guò)類似的調(diào)研，但就中國(guó)在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的份額來(lái)看，所需耗費(fèi)金額將不亞于美國(guó)。

產(chǎn)業(yè)鏈之龐大是中國(guó)發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)，這也決定了半導(dǎo)體行業(yè)全球化不可替代。

芯片制造工藝面臨三大挑戰(zhàn)，后摩爾時(shí)代是追趕者的機(jī)會(huì)

不過(guò)，認(rèn)為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)全球化不可替代并不意味著我國(guó)發(fā)展大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，努力追趕國(guó)際先進(jìn)水平就是錯(cuò)誤的。吳漢明同時(shí)指出，我國(guó)集成電路在上世紀(jì)50年代并不落后，產(chǎn)能領(lǐng)先日本兩年，落后美國(guó)六年，但到1996年，我國(guó)已經(jīng)落后日本20年，產(chǎn)能提升刻不容緩。

后摩爾時(shí)代為中國(guó)半導(dǎo)體的發(fā)展帶來(lái)挑戰(zhàn)與機(jī)遇。吳漢明總結(jié)了高端芯片制造工藝面臨的三大挑戰(zhàn)，包括基礎(chǔ)挑戰(zhàn)精密圖形、核心挑戰(zhàn)新材料和終極挑戰(zhàn)提升良率。

吳漢明解釋，當(dāng)下主要先進(jìn)工藝都是用193nm波長(zhǎng)的光源曝光出20-30nm的圖形，當(dāng)波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于物理尺寸時(shí)，物理尺寸就會(huì)非常模糊，這是精密圖形的挑戰(zhàn)。

當(dāng)光刻工藝解決以后，就要面臨新材料和新工藝的挑戰(zhàn)?！氨臼兰o(jì)以來(lái)有64種新材料陸續(xù)進(jìn)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?！?/p>

“對(duì)于所有芯片企業(yè)而言，良率提升是最艱難最頭疼的挑戰(zhàn)，不論先進(jìn)工藝做得多好，良率上不去，這也不能被視為成功。”吳漢明補(bǔ)充到。

與此同時(shí)，后摩爾時(shí)代，芯片性能提升放緩，以至于業(yè)界都在尋找新的技術(shù)方向進(jìn)一步加速提升芯片性能，這對(duì)多年以來(lái)一直處于追趕狀態(tài)的我國(guó)而言是好機(jī)會(huì)。

吳漢明介紹了許居衍院士曾經(jīng)列舉的后摩爾時(shí)代四類技術(shù)方向：“硅-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(shù)中的類硅模式是延續(xù)摩爾定律的主要技術(shù)；3D封裝、存算一體等類腦模式是當(dāng)前熱門，是產(chǎn)業(yè)前景技術(shù)方向；另外還有通過(guò)改變狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)行的新興范式，例如自旋器件、量子計(jì)算等。

這些新的技術(shù)方向，都是中國(guó)半導(dǎo)體的發(fā)展機(jī)會(huì)。“芯盟科技異構(gòu)單芯片集成技術(shù)和紫光國(guó)芯SeDRAM直接鍵合異質(zhì)集成都是不錯(cuò)的例子?！眳菨h明說(shuō)道。

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