吳漢明院士世界半導體大會(huì )演講：詳解后摩爾時(shí)代，芯片制造三大挑戰

作者 |  心緣
編輯 |  漠影
芯東西6月9日報道，今日，2021世界半導體大會(huì )暨南京國際半導體博覽會(huì )正式開(kāi)幕。在上午的高峰論壇上，中國工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長(cháng)吳漢明著(zhù)重分享了后摩爾時(shí)代的芯片挑戰與機遇。吳漢明院士曾任中芯國際技術(shù)研發(fā)副總裁，長(cháng)期工作在我國集成電路芯片產(chǎn)業(yè)并做出突出貢獻。在演講期間，他完整回顧半導體行業(yè)如何從摩爾定律時(shí)代跨入后摩爾時(shí)代，分享了芯片制造存在哪些挑戰、后摩爾時(shí)代帶來(lái)的機遇、全球化受阻的影響和發(fā)展方向等話(huà)題，并專(zhuān)門(mén)討論面向后摩爾時(shí)代集成電路潛在顛覆性技術(shù)。其總體討論內容如下：

回顧摩爾定律發(fā)展，全球化不可替代

什么是摩爾定律？1965年，英特爾創(chuàng )始人戈登·摩爾提出，在價(jià)格不變時(shí)，集成電路上的晶體管密度每年加倍，性能也提升一倍。做了十年后，他發(fā)現不行，賺來(lái)的錢(qián)不夠支撐研發(fā)，到1975年改口說(shuō)單位面積芯片上的晶體管數量每?jì)赡暝黾右槐?。這一提法持續了近50年。

上世紀70年代，1個(gè)晶體管價(jià)值達1美元，現在1美元能買(mǎi)幾百萬(wàn)個(gè)晶體管，也就是說(shuō)，當今每個(gè)晶體管價(jià)格僅有當初的百萬(wàn)分之一。從2G時(shí)代的130nm發(fā)展到14nm、5nm，摩爾定律發(fā)展支撐了通信技術(shù)、AI發(fā)展。

如圖，到2015年，下面4條特征線(xiàn)接近瓶頸，難以繼續提升，唯有晶體管密度繼續沿著(zhù)摩爾定律向上發(fā)展。但在2014年左右，大概28nm時(shí)，100萬(wàn)晶體管的價(jià)格為2.7美分，到20nm，這一價(jià)格增至2.9美分，單個(gè)晶體管價(jià)錢(qián)在往上漲，這就違背了摩爾定律的初衷——價(jià)格不變。我國專(zhuān)家許居衍院士曾在1992年的中國電子學(xué)會(huì )第五次學(xué)術(shù)年會(huì )文集中預測，摩爾定律2014-2017年失效，但硅基生命還很長(cháng)。

吳漢明院士認為，我國集成電路產(chǎn)業(yè)面臨的主要挑戰是產(chǎn)業(yè)鏈太長(cháng)、太寬，例如我國在裝備領(lǐng)域，光刻機尚需攻關(guān)，在多個(gè)關(guān)鍵材料方面仍依賴(lài)進(jìn)口。

每年半導體在全球流通達1萬(wàn)7千億美元，這種流通使得集成電路能沿著(zhù)摩爾定律發(fā)展到如今欣欣向榮的狀態(tài)。

從集成電路產(chǎn)業(yè)鏈整體分布來(lái)看，IP EDA基本被美國壟斷；而中國大陸在多個(gè)細分產(chǎn)業(yè)占比較小。美國曾做一個(gè)評估，如果美國要建立一個(gè)完全自主可控產(chǎn)業(yè)鏈，成本約達9000億~12000億美元，將導致漲價(jià)35%~65%。

從具體的芯片制造裝備來(lái)看，ASML占據了光刻裝備大頭，我國廠(chǎng)商的刻蝕、清洗等裝備已經(jīng)進(jìn)入芯片制造大生產(chǎn)線(xiàn)，但這些裝備目前還沒(méi)進(jìn)入非常高端的生產(chǎn)線(xiàn)應用。

芯片制造的三大核心挑戰

吳漢明院士總結了芯片制造工藝的三大挑戰：

1、基礎挑戰：精密圖形。現在主要先進(jìn)工藝193nm波長(cháng)的光源能曝光出20-30nm的圖形，如果還記得中學(xué)光學(xué)基本知識，當波長(cháng)遠大于物理尺寸，分辨率會(huì )非常模糊。2、核心挑戰：新材料、新工藝。有64種新材料支撐了摩爾定律的發(fā)展，技術(shù)往前走，如果沒(méi)有新材料，性能也上不來(lái)。如圖可以看到，新材料支撐著(zhù)性能的提升。3、終極挑戰：提升良率。這是所有芯片企業(yè)最艱難、頭疼的挑戰，工藝流程中會(huì )累積大量統計誤差，如果良率提升上不來(lái)，不算成功。從技術(shù)趨勢來(lái)看，后摩爾時(shí)代需要產(chǎn)業(yè)三驅動(dòng)、技術(shù)八內容、PPAC四目標。

后摩爾時(shí)代技術(shù)發(fā)展趨緩，追趕者機會(huì )大

在吳漢明院士看來(lái)，隨著(zhù)摩爾定律發(fā)展速度慢下來(lái)，這給了追趕者機會(huì )。

許居衍院士曾提出后摩爾時(shí)代有4類(lèi)技術(shù)方向：（1）主流方向是硅基馮諾依曼架構，其瓶頸是功耗和速度的平衡問(wèn)題；（2）類(lèi)硅模式是延續摩爾定律的主要技術(shù)；（3）最近類(lèi)腦模式也很熱門(mén)，有產(chǎn)業(yè)前景；（4）新興范式是非常前沿的未來(lái)集成電路發(fā)展方向，屬于基礎研究范疇，最近5-10年可能看不到產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。

從制程節點(diǎn)分布來(lái)看，10nm節點(diǎn)以下先進(jìn)產(chǎn)能17%，83%的市場(chǎng)集中在10nm以上節點(diǎn)，成熟制程等市場(chǎng)發(fā)展有巨大市場(chǎng)和創(chuàng )新空間，需要高度重視。臺積電的一些成熟制程占比也在增長(cháng)。設計公司最關(guān)心系統性能，吳漢明院士也看到了國內公司的一些成果。

比如國內創(chuàng )企芯盟采用40nm工藝做出高性能異構集成單芯片，再比如紫光國芯SeDRAM采用直接鍵合異質(zhì)集成工藝，每Gbit帶寬高達34GB/s、能效達0.88pJ/bit。

商業(yè)成功是檢驗技術(shù)創(chuàng )新的唯一標準

其實(shí)我們集成電路在上世紀50年代并不落后，產(chǎn)能領(lǐng)先日本兩年、落后美國六年，但到1996年，我們已經(jīng)落后日本20年。產(chǎn)能提升刻不容緩。

吳漢明院士對芯片過(guò)熱的說(shuō)法提出質(zhì)疑。他認為，過(guò)熱原因是忽悠的人多，認真做芯片的人太少，他援引芯謀研究顧文軍的數據，按這樣節奏發(fā)展下去，制造GAP將有8個(gè)中芯國際的產(chǎn)能。

隨后，他引用了《中國科學(xué)報》關(guān)于樹(shù)立產(chǎn)業(yè)技術(shù)導向的科技文化的內容。1、產(chǎn)業(yè)技術(shù)不是科研機構轉化后的應用開(kāi)發(fā)，而是引導科研的原始動(dòng)力。2、目標導向的研究不看什么新成果，而是看產(chǎn)業(yè)技術(shù)有什么需求。3、實(shí)驗室技術(shù)是單點(diǎn)突破，但產(chǎn)業(yè)需要面的突破，不能有明顯短板，要考慮綜合因素。實(shí)驗室技術(shù)也許能解決90%的要求，但余下10%可能要再花10倍的精力。4、堅持全球化技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)，理念上要做重大調整，認可提倡企業(yè)創(chuàng )新命運共同體。在吳漢明院士看來(lái)，要努力建設產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)的科技文化，商業(yè)成功是檢驗技術(shù)創(chuàng )新的唯一標準。吳漢明院士還分享了技術(shù)研發(fā)三步曲。

最后，吳漢明院士也順帶提及浙江大學(xué)正在打造的12英寸成套工藝研發(fā)平臺。他希望加速舉國體制下的公共技術(shù)研發(fā)平臺建設。

結語(yǔ)：更多進(jìn)展敬請期待

當前全球半導體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入調整期，風(fēng)險與機遇并行。包括吳漢明院士在內，一眾國內外產(chǎn)學(xué)界專(zhuān)家分別圍繞集成電路設計、制造、軟件、封測、材料等不同環(huán)節，分享前沿的產(chǎn)業(yè)及技術(shù)見(jiàn)解。除了舉行論壇外，大會(huì )同期還舉辦專(zhuān)業(yè)博覽會(huì )，規模達18000平米，比去年增加50%，更是匯集了臺積電、中芯國際等芯片制造公司，新思科技、芯華章等EDA軟件公司，瀾起科技、大魚(yú)半導體等芯片設計公司，日月光、長(cháng)電科技等半導體封測公司，中微半導體等設備公司，長(cháng)晶科技等半導體器件公司，安集微電子、泉州三安等半導體材料公司在內的300余家展商。同時(shí)，上海、廣東、陜西、泉州、珠海、淄博、天津等省市還將組團參展，全產(chǎn)業(yè)鏈展示國內外半導體領(lǐng)域的科技創(chuàng )新技術(shù)與應用成果。接下來(lái)，芯東西將在世界半導體大會(huì )期間發(fā)來(lái)更多報道。