吳漢明院士：探索后摩爾時代中國集成電路產業發展的新思路

半導體行業觀察 2022-11-18 09:46 發表于安徽

以下文章來源于前瞻科技雜志 ，作者吳漢明

60多年前，第一個集成電路問世，拉開了集成電路芯片技術飛速發展的序幕。面向不同應用的集成電路芯片的出現，在過去幾十年的發展歷程中，徹底改變了人類的生活方式。時至今日，以集成電路為基礎的信息產業已經成為全球第一大產業。信息交互、貨幣流通、醫療、娛樂等逐漸從20世紀中期的實體方式轉變成更加虛擬和數字化的方式。近年來，新冠肺炎疫情導致的公共衛生標準升高更加速了電子信息產業，特別是集成電路產業的發展。

隨著微縮化的集成電路制造技術逼近物理極限，一系列新工藝、新材料、新技術，如三維集成、芯粒技術、存算一體芯片等，被積極探索，為集成電路技術的發展引入了新的思路，集成電路的“后摩爾時代”也隨之開啟。在這一時代背景下，人們對待集成電路產業發展方向這一問題的解決思路和方法也在逐漸轉換和更新。一方面，基于現有的成熟工藝（28 nm及以上制程），主要將其用于新興智能應用方向的市場拓展。另一方面，在對制造技術要求更高的傳統芯片領域，人們依然需要技術迭代，通過引入極紫外（Extreme Ultra-Violet, EUV）光刻等尖端技術進一步按比例微縮化晶體管尺寸或是通過電路和芯片層面的三維集成來繼續維持算力的提升。此外，隨著馮·諾依曼架構的局限性日益明顯，人們也開始探索能夠滿足更高算力、更低能耗需求的新型架構和工藝技術，如非馮·諾依曼架構芯片、類腦芯片以及量子超算芯片等，這些技術正在成為集成電路發展的新方向。

集成電路產業歷經60多年的發展，具有以下特點和發展規律。

一是國家戰略性和市場基礎性共存。由于上至國家安全下至民生，電子信息時代對信息交互的依賴越來越高，因此，一個國家集成電路產業的發達程度，將直接決定其在國際上的國防實力和經濟地位。只有掌握了先進集成電路工藝的核心技術，才能在電子信息時代的全球大環境下立于不敗之地。集成電路產業是需要從國家層面全局謀劃，并給予資金和技術支持的戰略性產業。然而，與傳統的戰略性技術，如“兩彈一星”這種具有威懾力但是市場需求有限的技術相比，集成電路產業還具有市場基礎性。兩種特性的兼具使得集成電路產業成為事關國家地位、國防與民生的重要產業。

二是技術和資金投入高且需要持續性投入。只有經年累月的技術和資金投入，才能保持集成電路企業在技術迭代的洪流中始終領先，并在利潤最高的尖端技術領域實現長期回報。資金投入方面，對于代工廠（Foundry）而言，其主要投資用于建設生產線和工藝開發，對于集成器件制造商（IDM）而言，除了上述成本以外，其部分投資還需要用于產品設計和開發。隨著集成電路工藝水平的不斷提高，集成電路生產線建設的投資逐年增加?？梢哉f，集成電路產業是一個技術積累周期長且投資大的行業。中國應利用舉國體制優勢，對集成電路產業的成熟節點和先進節點投入提前布局，以保證這一領域得到持續長期的技術和資本投入。

三是產業波動具有一定的周期性。由于應用范圍廣泛，與市場的聯系非常緊密，集成電路產業發展受應用市場波動的影響十分明顯。世界集成電路市場的增長率一直呈現周期性的波動狀態，表現為每10年左右的增長率呈現一個先下降后上升的波動趨勢。出現這種趨勢的原因，一是宏觀經濟的影響，如地區性或全球性的經濟漲落；二是市場供需不平衡導致的部分領域規模調整。中國過去20年的GDP增長與電子信息制造業的增長速度和規律趨同，說明中國集成電路產業發展與市場擴展密切相關，集成電路產業的未來也依賴于整體市場和經濟的繁榮。

四是具有產業技術先導性和應用導向性。集成電路產業是利用尖端技術實現先進芯片應用產品，從而實現其戰略價值和商業價值的行業。在這一過程中，原材料的加工、成套工藝中幾百道工藝的良率控制、電路設計的先進性等都將決定芯片最終的性能和市場。隨著工藝制程進入亞10 nm，最先進的單步工藝技術、集成技術、封裝技術等也將陸續應用于芯片設計和制造，這也是集成電路產業的技術投入巨大的原因。此外，隨著電子信息時代應用市場的不斷拓展和碎片化，基于多樣化應用開發的芯片產品也日益增多。因此，集成電路產業會隨著應用導向不同而出現多樣化發展的趨勢。

中國的集成電路產業技術和規模在過去的20年中實現了飛速發展，世界市場占比從“九五”期間的0.63%發展到了“十三五”期間的26.6%。同時，銷售額也實現了指數級的增長。國家政策和集成電路產業人才為這些增長作出了巨大的貢獻。在集成電路設計方面，中國大陸的集成電路設計業已經超越中國臺灣地區，成為全球第二大設計業聚集地。然而，相比于集成電路設計行業，電子設計自動化（Electronic Design Automation, EDA）軟件和知識產權（Intellectual Property, IP）核的發展相對落后。EDA軟件尚難以與Synopsys、Cadence和Siemens EDA（前身為Mentor Graphics）三巨頭公司抗衡，而IP核模塊更是匱乏。因此，EDA軟件和IP核模塊已經成為西方政客對中國集成電路產業打壓的主要殺手锏之一。為了促進IP核模塊的發展，中國未來可以探索IP核共享平臺這一模式，讓投資巨大的代工廠和設計公司共同促進IP核的成熟發展。

在集成電路制造領域，就制造工藝技術而言，中國在基于成熟技術的市場體系內，已經能夠完成大部分的芯片設計和制造。在基于技術迭代和三維集成領域，也部分達到了世界先進的發展水平。中芯國際和華虹半導體公司在世界半導體代工市場的占有率靠前，主要營業額來自于較為成熟的特色工藝生產線。

2020年以來，長江存儲在128層3D NAND閃存技術上取得突破，達到國際先進水平。然而，與制造工藝技術的發展相比，中國在原材料和制造裝備方面，仍然嚴重受制于國外的技術封鎖。在高端材料與設備供應方面，中國的自給率較低，在40~45 nm節點接近50%，在7~14 nm節點僅為5%。電子氣體及金屬有機源對外依存度超過80%，化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）技術的拋光液國產化率小于10%，濺射靶材大部分需要進口，用于大生產的300 mm的硅片至今仍然主要依靠進口。相比于總產值，中國在集成電路裝備和原材料方面的市場份額仍存在一定差距。目前，國外對于先進工藝生產和供應鏈中設備材料以及代工限制將極大程度地制約中國在這些新興關鍵技術領域的發展。

為了彌補原材料方面的短板，近年來中國在用于大生產的國產材料方面，取得了積極的進展，如原材料方面，有安集銅/阻擋層研磨劑、江豐鋁/鈦靶材、邯鄲NF3、新陽電鍍液等；晶圓制造方面，有研12英寸外延片良率/可靠性已經通過大批量客戶認證，而且12英寸及8英寸測試片和金瑞泓8英寸測試片都已被代工廠大量采購；光阻材料方面，北京科華光阻通過客戶驗證進入采購名單，打破了日本技術壟斷；CMP材料方面，成都時代立夫硅片研磨墊已經進入采購，打破了美國和日本的技術壟斷，河北工業大學硅片研磨劑通過中芯國際的稽核認證進入采購名單。在目前“反全球化”的國家主義國際環境下，對于中國當下缺乏的集成電路制造關鍵技術、材料和設備，必須憑借中國的體制優勢，通過攻堅創新，補足短板，打破集成電路產業鏈壁壘，實現技術自主可控的先進集成電路芯片產業鏈。

在封裝測試（簡稱封測）領域，中國的封測技術相比于制造和設計，處于世界領先的水平。代表企業如長電科技、通富微電和天水華天，在世界排名中分別為第3、第6和第7名。2022年上半年，長電科技營收額為305億元人民幣，在世界封測市場的占有率為12%。硬件方面，中國引線鍵合機等設備已經具備自給能力，而檢測設備仍然大幅依賴進口。

隨著器件尺寸從亞微米級逐漸縮微至納米級，技術和資金的投入呈現指數級的增加。在這種情況下，部分企業和機構逐漸將投入轉移至新材料、新架構和新技術領域。在基于現有的硅基技術和馮·諾依曼架構的“硅-馮”范式下，一部分半導體企業和機構仍能夠沿著摩爾定律的趨勢，通過先進的互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）技術，提升計算芯片的性能。而大多數半導體企業和機構則通過探索“泛摩爾化”的可能性，如基于新型晶體管技術和馮·諾依曼架構的類硅模式、基于硅基器件和非馮·諾依曼架構的類腦和存算一體模式，來拓展后摩爾時代的芯片發展空間。隨著算力和能效需求的進一步提高，傳統的馮·諾依曼架構中數據搬運的低效性日趨顯著，基于存儲和運算一體集成的存算一體芯片，也將投入生產并用于終端市場。此外，在顛覆性技術的新興領域，如在基于量子自旋的量子器件、算法與架構的量子芯片和神經形態計算領域，相關研究工作也已經開展了10余年?；诹孔佑嬎愕牧孔颖忍仄骷虲MOS外圍電路的工作已經具備相當的展示度。不過相較于發展60余年數千億美元市值的集成電路產業而言，這些新興范式仍處于基礎研究階段，其產業化可行性和應用價值有待進一步研究和論證。

在后摩爾時代，人們終將看到以摩爾定律為指導的等比例微縮技術逐漸走向盡頭。但是，通過新材料、新器件和新架構的引入，集成電路產業和市場仍將持續擴大，繼續支撐國家安全與民生等關鍵領域的發展。在目前的“反全球化”和新冠肺炎疫情影響下，中國正經歷著百年未有之大變局。如何在變化的大形勢下走好集成電路產業發展的每一步棋，是中國在未來數十年內保持經濟繁榮和國家安全的關鍵。集成電路產業在后摩爾時代可以沿著先進工藝結合特色工藝、先進封裝和系統結構的方式，實現應用市場更加寬廣的“泛摩爾化”模式發展。在當前的形勢下，相比于成本和研發投入巨大，且裝備和材料幾乎完全依賴境外的亞10 nm制程，本土自主可控的55 nm特色制程也許對中國掌握集成電路產業的基本盤具有更加重要的價值。

盡管當前中國在集成電路領域面臨著從原材料、裝備到EDA工具的一系列“卡脖子”的問題，然而，在越來越緊迫的國際形勢下，機遇和挑戰同時呈現在國產材料、裝備和EDA企業面前，雖然挑戰相當嚴峻，但也是產業快速崛起的機遇。

我們要有戰略定力，堅持開放的全球化政策，同時發揮舉國體制優勢，集聚資源，在新型社會主義市場下開展大兵團作戰，加快建立國家級集成電路公共技術研發平臺，通過產教融合、科教協同培養人才，真正落實產學研協同創新，發展芯片制造共性技術，支持中國集成電路產業的穩定持續可控發展。

正如習近平總書記2021年在中國共產黨與世界政黨領導人峰會上所倡導的那樣：“道阻且長，行則將至；行而不輟，未來可期?！薄肚罢翱萍肌返?期出版集成電路科學與工程?？?，從先進裝備、先進工藝、EDA產業和IP核，到后道封裝，再到整個產業和人才培養的角度，做了詳盡的主題綜述、形勢分析和發展方向建議，以期為相關研究機構和部門的科學決策提供有價值的技術參考。