積極參與前沿技術(shù)研究應(yīng)對后摩爾時代挑戰(zhàn)

作者：廣東省科學(xué)院半導(dǎo)體研究所學(xué)術(shù)委員會主任 胡川來源：中國電子報、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)

         嚴(yán)格意義的摩爾定律（晶體管密度每隔兩年翻一番）在2016年4月隨著Intel不能量產(chǎn)10nm的器件而終結(jié)。同年3月，為摩爾定律的確定奠定重要基礎(chǔ)的格魯夫博士去世，算是給這個人類歷史上史詩級的時代畫上了句號。摩爾定律之所以重要，是因為該定律指導(dǎo)和協(xié)調(diào)了集成電路產(chǎn)業(yè)40年的發(fā)展，它的其他一些表述，比如每隔兩年性能翻一番、價格降一半等，對更大的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)起到了極大的推動作用。目前集成電路產(chǎn)業(yè)每年的整體營收在4000億~5000億美元，整個電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)在4萬~5萬億美元，可以說，這個從上世紀(jì)中葉誕生的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為人類文明發(fā)展的基石。

集成電路發(fā)展需要重大調(diào)整和改變

  摩爾定律時代會在什么時候結(jié)束，產(chǎn)業(yè)界一直有不同的預(yù)測，同時，也在做相應(yīng)的規(guī)劃。戈登·摩爾博士本人的態(tài)度一直很謹(jǐn)慎，在過去的30年間，每一次問到他摩爾定律什么時候終結(jié)時，他一直回答：“還有10年?！?010年以前主要對賭摩爾定律失效的企業(yè)基本上都失敗了，雖然多數(shù)專家并不能看到具體的解決方案，甚至主要的發(fā)展方向，但是他們都對下一代工程研發(fā)抱有信心，樂見自己被超越。

  歷史上主要拯救摩爾定律的重大創(chuàng)新技術(shù)包括互補金屬氧化物半導(dǎo)體替代雙極性晶體管器件，降低功耗；超紫外13nm取代193nm步進(jìn)投影曝光、步進(jìn)投影取代掩膜對準(zhǔn)曝光，增強(qiáng)圖案精細(xì)度；離子注入替代擴(kuò)散，提升摻雜精度；高介電常數(shù)材料取代SiO2，增強(qiáng)器件速度減少漏電；低介電常數(shù)材料取代SiO2和銅金屬制程取代鋁，提升互連線速度和降低功耗；化學(xué)機(jī)械拋光增加互連線層數(shù)和復(fù)雜度，有機(jī)封裝增強(qiáng)繞線密度，降低成本；FINFET增強(qiáng)開關(guān)速度，等等。

  集成電路產(chǎn)業(yè)目前形成了以下格局：制造中心從美國到日本再到現(xiàn)在的中國臺灣和韓國，材料的中心主要在日本，整個制造鏈掌控在美國手中，低端輔助制造在中國大陸等。歷史上集成電路的核心問題包括算力、功耗、成本、可靠性、可制造性等，這些問題今后還會繼續(xù)貫穿后摩爾定律時代的集成電路發(fā)展。

  摩爾定律的時代終將過去，這是因為指數(shù)性的成長是不可能永久持續(xù)的。按照每兩年晶體管密度翻一番的速度，在30年的時間內(nèi)單個處理器的晶體管數(shù)量會超過人類的腦細(xì)胞數(shù)，在300年內(nèi)會超過地球的原子總數(shù)，在500年左右時間里將超過宇宙的原子總數(shù)。更為現(xiàn)實的是兩個馬上要面臨的物理極限：朗道爾極限（0.02eV）和量子隧穿極限（2nm），前者是單位運算的能耗接近于熱力學(xué)擾動的極限，后者是在小尺寸時穿透勢壘的概率大增，導(dǎo)致晶體管失效。這兩個極限按照摩爾定律的線性外推都幾乎在20年左右時間到達(dá)。所以目前產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要極其重大的調(diào)整和改變。IBM在2021年發(fā)布了所謂2nm器件技術(shù)（實際量產(chǎn)可能還有6年），它的源和漏的間距實際上有12nm，工程上巧妙的創(chuàng)新和命名上的游戲無法避開實際的物理極限。

  另外還有很多當(dāng)年失效的想法，也終于逐步要變成后摩爾定律時代的主流解決方案，比如上世紀(jì)80年代日本政府就資助3D的晶體管堆疊，當(dāng)年AMD因為量產(chǎn)良率不佳而采用多個物理切割的硅片來提升性能的芯粒（chiplets）技術(shù)，英特爾為20GHz處理器（因為散熱問題解決不了）而推出的扇出封裝工藝等。這些因為當(dāng)時的算力需求、制程能力、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度、市場接受度等被擱置的項目和后來的一些創(chuàng)新（比如量子計算、非二進(jìn)制、非馮諾依曼架構(gòu)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等），構(gòu)成了后摩爾定律時代的解決方案框架。

  如今，產(chǎn)業(yè)中心逐步從硬件中心過渡到軟件中心，從通用計算中心過渡到專用計算中心。硬件產(chǎn)業(yè)的革新有更多的影響因子，不再是應(yīng)用、軟件、算法、架構(gòu)、器件、封裝相對獨立，而是互相交織，需要通盤考慮。

  美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會SIA（Semiconductor Industry Association）和主要的政府與企業(yè)的聯(lián)合機(jī)構(gòu)SRC（Semiconductor Research Corp.），組織了全球主要集成電路相關(guān)的設(shè)備、材料、工藝制程和終端應(yīng)用等企業(yè)，對后摩爾定律時代的核心研發(fā)方向做了一個系統(tǒng)的規(guī)劃，在2021年發(fā)布了下一個十年發(fā)展的綱領(lǐng)性報告。這個報告通過描述和支持政府和產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)的戰(zhàn)略遠(yuǎn)景，引導(dǎo)學(xué)術(shù)、政府和工業(yè)界在關(guān)鍵領(lǐng)域進(jìn)行革命性合作，為最前沿頂尖科學(xué)研究員、大學(xué)教授和學(xué)生樹立明確的研究標(biāo)桿，來聚焦信息處理、傳感、傳輸、存儲和安全，從而保障半導(dǎo)體和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。這個報告主要執(zhí)行委員會的成員幾乎都是相關(guān)企業(yè)的技術(shù)領(lǐng)袖，但是每一個專題的具體技術(shù)問題闡述都有大量的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)參與。在這個報告里，他們明確了五個大的領(lǐng)域需要革命性的創(chuàng)新：一是模擬信號的處理，包括傳感、功率、計算等；二是新型的存儲器件和儲存與計算的架構(gòu)；三是未來的通信技術(shù)（從射頻到光電等）；四是更廣泛的計算安全需求；五是計算能量效率提升。整體上，這個報告描繪了在后摩爾定律時代，數(shù)據(jù)收集的增長遠(yuǎn)大于存儲能力，存儲的數(shù)據(jù)量又遠(yuǎn)大于通信的帶寬，所有海量的數(shù)據(jù)感知、存儲和通信還將面臨各種安全挑戰(zhàn)。此外，計算的低能量效率限制了產(chǎn)業(yè)的成長，亟須改變。

全力培育“非對稱性殺手锏”

  我們國家的集成電路是被“卡脖子”最嚴(yán)重的產(chǎn)業(yè)，造成這種狀況的主要原因是我們在市場、技術(shù)、人才、政策等很多方面缺乏積累。

  在市場方面，目前，我國實際消耗的集成電路占到全球集成電路產(chǎn)能的20%左右，全球67%左右的集成電路或多或少和中國有關(guān)系。以上數(shù)據(jù)說明，市場已經(jīng)不再是主要的問題。

  在技術(shù)方面，我們國家知識產(chǎn)權(quán)積累較少，起點相對低，以前我們做不了通用計算是因為專利壁壘太高。但是在后摩爾定律時代，有很多變化正在發(fā)生。比如從通用到專用的轉(zhuǎn)化需要大量的工程畢業(yè)生和與市場結(jié)合的能力，這是我們的強(qiáng)項；再比如，開源的RISC-V指令集擺脫了很多歷史上的沉疴，為我國參與這個產(chǎn)業(yè)提供了特殊的機(jī)會。但是我們也要認(rèn)識到，在技術(shù)發(fā)展的方向上仍有太多短視行為，很多企業(yè)因為只能做相對低端的市場就發(fā)表高端無用的言論，影響決策層的判斷。而實際上，臺積電2021年第一季度16nm以下工藝占據(jù)了他們6成的營收，接近中國大陸地區(qū)所有代工總和的10倍。目前很多專家強(qiáng)調(diào)細(xì)分領(lǐng)域的重要性，但是這些細(xì)分領(lǐng)域只占集成電路的1%左右，我們不能放棄另外的99%，否則還是會被“卡脖子”。

  在人才方面，目前依然存在很大問題。我國集成電路產(chǎn)業(yè)人才缺乏尖端技術(shù)前沿的經(jīng)驗，以追隨為主，技術(shù)研發(fā)的長周期和高投入導(dǎo)致創(chuàng)新動力缺乏；研究院所的人才嚴(yán)重缺乏產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗，同時缺乏實際應(yīng)用價值判斷力。美國推出的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)十年計劃，主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)袖一直活躍在技術(shù)前沿。因此，如何充分利用我國現(xiàn)有人才，如何培養(yǎng)未來人才，都需要業(yè)界進(jìn)一步思考。

  在政策方面，我國對風(fēng)險的承受能力不夠和對知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)不夠是目前最大的問題。在知識產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域，國內(nèi)的相關(guān)制度也仍有待加強(qiáng)，業(yè)內(nèi)要達(dá)成共識：沒有知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，所有的創(chuàng)新價值都是零。

  后摩爾時代有太多想象空間和技術(shù)缺口，想從根本上改變“卡脖子”狀態(tài)，就要積極參與前沿科學(xué)的研究，要在某些新興重大領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢，并以此來進(jìn)行交換，不能在所有的領(lǐng)域都靠跟隨?！耙蟹菍ΨQ性的殺手锏”，這是后摩爾定律時代產(chǎn)業(yè)發(fā)展的解決方案。