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吴汉明院士:后摩尔时代是追赶者的好机会

作者:吴优
2021/06/09 16:58

1965年,戈登·摩尔观察计算机存储器晶体管数目,总结得出集成电路上可容纳的晶体管数目每隔两年就会增加一倍的规律,摩尔定律就此诞生。五十多年过去了,随着晶体管微缩逐渐逼近技术极限,关于摩尔定律的讨论进入新阶段。

发展放缓的后摩尔时代,一面是产业继续向前推进需要解决的技术挑战,另一面也为中国半导体的发展带来新机遇。本周三,在2021世界半导体大会暨南京国际半导体博览会的开幕式上,中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明教授指出:“后摩尔时代芯片性能提升速度放缓,对追赶者来说,一定是一个机会。”

吴汉明院士:后摩尔时代是追赶者的好机会

集成电路产业链长是主要挑战,全球化不可替代

在半导体产业建设初期,半导体厂商以IDM为主,随着制造工艺进步和晶圆尺寸扩大,设计、制造芯片所需耗费资金日渐攀升,除了少数财力与实力并存的IDM厂商能够继续扩张外,其他半导体厂商寸步难行。

为了提高竞争力,不少IDM拆分,垂直细分的Fabless、Foundry等新模式出现,加上上游原材料和生产设备本就复杂多样,半导体产业发展至今已建起完整的全球产业链。如果将集成电路产业链按照IP、设计、装备材料和芯片制造四个领域进行分类,IP和EDA基本被美国垄断,日本韩国在存储器、材料方面占优势,中国的芯片制造和封测在全球范围内稍有实力。

不过,这也意味着目前就算是再强大的芯片公司,也需要依托产业链上下游的伙伴才能正产运转,中国芯片公司亦是如此。

“集成电路产业面临的主要挑战是产业链太长、太宽,归纳集成电路材料、装备、设计、制造等领域的公司和研究所,林林总总数量庞大。”吴汉明在2021世界半导体大会上说道。吴汉明同时指出,放眼中国的集成电路产业链建设,光刻机、检测等装备是主要需要攻关的方向,光刻胶、掩膜版、大硅片等材料基本空白,主要依赖进口,虽然芯片制造上有中芯国际、华虹宏力有所发展,但与国际先进水平相比,依然有三代差距。

吴汉明院士:后摩尔时代是追赶者的好机会

如果一个国家和地区要改变半导体产业链的全球格局,在国内打造完整的半导体产业链,需要付出多大的代价?“近期美国政府做了相关评估,如果美国要打造本土完全自主可控的半导体生态圈,需要耗费9000亿至12000亿美元,后果是相关产品在美国市场上涨价至65%。”吴汉明说道。

吴汉明院士:后摩尔时代是追赶者的好机会

虽然中国没有做过类似的调研,但就中国在全球半导体产业链的份额来看,所需耗费金额将不亚于美国。

产业链之庞大是中国发展半导体产业面临的主要挑战,这也决定了半导体行业全球化不可替代。

芯片制造工艺面临三大挑战,后摩尔时代是追赶者的机会

不过,认为半导体产业全球化不可替代并不意味着我国发展大力发展集成电路产业,努力追赶国际先进水平就是错误的。吴汉明同时指出,我国集成电路在上世纪50年代并不落后,产能领先日本两年,落后美国六年,但到1996年,我国已经落后日本20年,产能提升刻不容缓。

后摩尔时代为中国半导体的发展带来挑战与机遇。吴汉明总结了高端芯片制造工艺面临的三大挑战,包括基础挑战精密图形、核心挑战新材料和终极挑战提升良率。

吴汉明院士:后摩尔时代是追赶者的好机会

吴汉明解释,当下主要先进工艺都是用193nm波长的光源曝光出20-30nm的图形,当波长远大于物理尺寸时,物理尺寸就会非常模糊,这是精密图形的挑战。

当光刻工艺解决以后,就要面临新材料和新工艺的挑战。“本世纪以来有64种新材料陆续进入芯片制造,支撑摩尔定律往前发展,芯片的性能提升主要依赖新材料和新工艺。”

“对于所有芯片企业而言,良率提升是最艰难最头疼的挑战,不论先进工艺做得多好,良率上不去,这也不能被视为成功。”吴汉明补充到。

与此同时,后摩尔时代,芯片性能提升放缓,以至于业界都在寻找新的技术方向进一步加速提升芯片性能,这对多年以来一直处于追赶状态的我国而言是好机会。

吴汉明院士:后摩尔时代是追赶者的好机会

吴汉明介绍了许居衍院士曾经列举的后摩尔时代四类技术方向:“硅-冯”范式是主流,但这一范式正面临功耗与速度提升瓶颈;新兴技术中的类硅模式是延续摩尔定律的主要技术;3D封装、存算一体等类脑模式是当前热门,是产业前景技术方向;另外还有通过改变状态来实现逻辑运行的新兴范式,例如自旋器件、量子计算等。

吴汉明院士:后摩尔时代是追赶者的好机会

这些新的技术方向,都是中国半导体的发展机会。“芯盟科技异构单芯片集成技术和紫光国芯SeDRAM直接键合异质集成都是不错的例子。”吴汉明说道。

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