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2021/6/10 14:12

工程院院士吴汉明:后摩尔时代是追赶者的机会

C114通信网  水易

C114讯 6月10日消息(水易)在日前召开的“2021世界半导体大会暨南京国际半导体博览会”上,中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明发表《后摩尔时代的芯片挑战和机遇》,详解目前芯片制造领域存在的挑战以及后摩尔时代将为集成电路产业发展带来的机遇。

摩尔定律是在1965年,英特尔创始人戈登·摩尔提出。其核心内容为:集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。换言之,处理器的性能每隔两年翻一倍。经过半个多世纪的发展,摩尔定律逐渐失效,关于集成电路的发展也进入全新的“后摩尔时代”。吴汉明指出,“后摩尔时代芯片性能提升速度放缓,对于追赶者而言一定是个机会。”

芯片制造工艺面临三大挑战,全球化不可替代

吴汉明表示,集成电路产业链太长、太宽。归纳集成电路产业链,涉及材料、设备、制造、装备等领域的公司和研究机构,林林总总数量庞大。“既然产业链那么宽那么大,必然依赖于全球的流通,全球化的经济模式才能把集成电路产业往前推。”

“正是因为这种流通,使得集成电路才能沿着摩尔定律发展到当今欣欣向荣的状态。” 吴汉明强调,目前集成电路产业链的总体分为四大块:设计(逻辑、分离、存储)、IPEDA、装备材料、芯片制造。“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。芯片制造虽然有中芯国际等厂商,但与国际先进水平相比,仍有差距。”

吴汉明重点介绍了芯片制造工艺方面面临以下三大挑战:

基础挑战:精密图形。当下主要先进工艺都是用波长193nm的光源曝光出20nm-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。但现在,集成电路的光刻工程师却能用波长193nm的光源曝光出几十nm的图形,突破了光学的限制。

核心挑战:新材料。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。“集成电路芯片制造中,主旋律就是新材料、新工艺。如果没有新材料,即使能把芯片尺寸做得很小,但性能却无法提升。”

终极挑战:提升良率。只有量产且通过一定良率的工艺才能被称为成熟的成套工艺。吴汉明指出,“良率提升是所有芯片制造企业最头疼、最艰难的挑战。不管先进工艺做得多好,良率上不来,这个工艺就算不上成功。”

后摩尔时代追赶者机会大,要以产业技术为导向

随着摩尔定律的逐渐失效,进入到后摩尔时代,面对这关键的三大挑战,芯片技术有着怎样的发展趋势。

吴汉明表示,在后摩尔时代的发展过程中,高性能计算、移动计算、自主感知是集成电路产业的三大驱动力,这三大驱动引领着技术研发的八个主要内容,分别是逻辑技术、基本规则缩放、性能-功率-尺寸(PPA)缩放、3D集成、内存技术、DRAM技术、Flash技术和新兴非易失性内存技术。目标PPAC(性能、功率、面积、成本)在2~3年内有一定的提升,提升幅度的范围在15%~30%之间。

与此同时,后摩尔时代,芯片性能提升逐步放缓,意味着给了一直处于追赶状态的我国而言是一个机会。“后摩尔时代,对于追赶者一定是个机会。”吴汉明说道。

吴汉明介绍了许居衍院士曾经提出的后摩尔时代四类技术方向:主流方向是硅基冯诺依曼架构,瓶颈在于功耗和速度的平衡问题;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。

“对于追赶者而言,不一定一味的追求先进工艺,更应该关注系统的性能。” 吴汉明指出,据统计,在去年集成电路的产品中,10nm制程以下的先进产能占17%,83%的市场都被相对成熟的制程占据。因此在高度重视前沿技术的同时,也要重视成熟制程所带来的创新和市场空间。

据吴汉明介绍,目前国内已经有公司通过“成熟工艺+异构集成”的方式,利用40nm的成熟工艺+异构集成,性能可与16nm相媲美。“这也代表着后摩尔时代的技术延伸和发展方向。”

此外,集成电路的发展尤其要重视产业技术为导向的科技文化。吴汉明强调,通常实验室做到的是点突破,但是产业需要的是面突破,是全方位突破,性能做好只是一个步骤,还要考虑良率、成本等综合因素。“技术的成功与否就是靠商业化,如果做一个技术不能商业化,那么价值不会太高。”

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