半导体行业如何打破摩尔定律失效的魔咒

2021/6/16 14:27:49 来源:飞象网 作者:易欢 责编:懒猫

当前,全球半导体产业正处于迭代升级的关键期,与此同时产业的基本规律 —— 摩尔定律正逼近物理、技术和成本的极限,2002 年以前全球芯片每年性能提升 52% 左右,到 2010 年为 23%,2010 年为 12%,最近几年差不多每年提升 3%,随着发展速度不断下降,摩尔定律开始失效,后摩尔时代即将来临。

在“2021 世界半导体大会暨南京国际半导体博览会”上,众多行业专家也就半导体行业如何打破摩尔定律失效的话题进行了详细的解读,分享了各自的观点和看法。专家一直认为,目前摩尔定律正面临严峻的挑战,但同时也给产业带来了很多机遇。

异质集成电路是后摩尔时代集成电路发展的新方向

我国集成电路产业面临“卡脖子”的痛点。一方面中国花费巨资进口。数据显示,2020 年中国进口集成电路价值 3500 亿美元(同年进口石油 1760 亿美元),高端芯片基本依赖进口。另一方面,集成电路有钱也买不到。2020 年 5 月,美国商务部宣布全面限制华为购买美国软件和技术生产的半导体产品。2021 年 4 月,美国商务部建议对 14nm 以下所有中国芯片公司出口管制。

众所周知,集成电路是一个国家综合科技实力乃至综合国力的反映。毛发军认为,我国集成电路产业落后的原因复杂,外在因素是先进技术受到西方封锁,内在原因是我国集成电路产业瞻前顾后,导致产学研脱节。

在中国科学院院士,上海交通大学党委常委、副校长毛军发看来,目前,集成电路的发展方向主要有两个,一是继续延续摩尔定律;二是绕道摩尔定律。这两条道路都面临挑战,前者面临物理原理极限,技术手段极限以及经济成本极限。后者要朝着异质集成电路方向发展。

毛发军指出:“集成电路有两类材料,元素半导体和化合物半导体材料,这两类各有优缺点。如何将两者的优点结合起来?只有异质集成电路才能做到。”

所谓半导体异质集成电路指的是将不同的工艺节点的化合物半导体高性能器件或芯片、硅基低成本高集成度期间或芯片(都含光电子器件或芯片),与有源元件或天线、通过异质键合或外延生长等方式集成而实现的集成电路或系统。

毛军介绍称,异质集成电路特色突出:一是可以融合不同半导体材料、工艺、结构、元器件或芯片的优点;二是采用系统设计理念;三是应用先进技术,如 IP 和小芯片(Chiplet)、集成无源器件等新技术;四是具有 2.5D 或 3D 高密度结构。

“正因为如此,其优势也非常突出:一是实现强大的复杂功能,具有优异的综合性能,可突破单一半导体工艺的性能极限;二是灵活性大、可靠性高、研发周期短、成本低;三是小型化、轻质化;四是对半导体设备要求相对较低,不受 EUV 光刻机限制。”

毛发军总结表示,总而言之,半导体异质集成电路突破了单一工艺集成电路的功能、性能极限,实现高性能复杂电子系统,非常具有研究价值。它是电子系统集成技术发展的新途径,也是后摩尔时代集成电路发展的新方向,更是集成电路变道超车的新机遇。

后摩尔时代存在三个主要驱动方向

中国工程院院士吴汉明在大会上表示,1970 年代,晶体管价格 1 美元/个,这个价格如今能购买上万个晶体管,如今一部手机中的芯片,加起来有百亿级规模的晶体管,若回到 1970 年代,同样一部手机要花费百亿美元。

从 1970 年代至今,芯片的性能在不断提升,但数据显示,自 2015 年前后,芯片的各项性能的增长开始趋于饱和。吴汉明表示,从晶体管的不断增加来看,产业仍然在遵循着摩尔定律,但是从单位成本来看,在 2014 年左右,芯片工艺演进至 28nm 时,100 万晶体管的价格大约是 2.7 美分,当演进到 20nm 时,价格反而涨到 2.9 美分,晶体管的涨价现象,已经违背了当初的摩尔定律。

吴汉明指出后摩尔时代,高性能计算、移动计算、自主感知是三个主要驱动方向,业界需要围绕性能、功率、面积、成本进行创新。

在他看来,如今,芯片制造工艺正面临三大挑战,也蕴涵着三大创新方向。

第一,基础挑战:精密图形。以光刻机为主要装备的工艺目前用 193 纳米波长形成 20 纳米、30 纳米的图形,在物理原理上面临很大挑战。

第二,核心挑战:新材料。芯片发展至今,紧靠尺寸缩小带来的性能提升非常有限,新材料成为重要突破方向,例如硅、铜等将 32 纳米性能提升 70%。因此,新材料、新工艺是集成电路芯片制造的主旋律。

第三,终级挑战:提升良率。工艺无论多么先进,良率如果太低就不算成功,因此提高良率也是重要方向。

此外,吴汉明认为,后摩尔时代有四类技术方向:“硅-冯”范式,通过改变结构形成新型器件,使得摩尔定律能够继续,瓶颈在于功耗和速度;类硅模式,通过 TFET 等延续摩尔定律;类脑模式,通过 3D 封装模拟神经元特性,具有存算一体、并行、低功耗等特点,是人工智能的主要途径;新兴范式,通过改变状态、采用新器件和新兴架构实现集成电路创新。

吴汉明表示,摩尔定律失效对于追赶者而言是个机会。“事实上,在先进工艺创新难以为继时,厂商可以通过系统性能提升,在已有成熟工艺的基础上做出更多创新,提升芯片性能。”

值得一提的是,中国是全球集成电路企业发展的沃土,内外资集成电路企业共享中国市场的红利。中国政府持续营造一个开放合作、公平竞争的产业发展环境,促进全球范围内的分工协作共享,在公平竞争中实现产业繁荣。

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关键词:半导体摩尔定律

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