【芯視野】聚焦 “后摩爾時(shí)代潛在顛覆性技術(shù)” 中國的機(jī)會(huì)在哪?
報(bào)道(記者 張軼群)5月14日,“后摩爾時(shí)代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)”在國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組被討論之后,受到高度關(guān)注。
雖然后摩爾時(shí)代的技術(shù)發(fā)展問題,至少在5年前便在業(yè)內(nèi)被討論,此時(shí)登上國家“臺面”顯然說明其技術(shù)發(fā)展已經(jīng)到了“充分且必要”之時(shí)。
綜合目前的行業(yè)看法,潛在“顛覆性技術(shù)”包含四方面內(nèi)容:特色工藝、新材料、新架構(gòu)、先進(jìn)封裝,目前在這些領(lǐng)域中國都有潛在能夠獲得突破的機(jī)會(huì)。
行業(yè)人士指出,在如今半導(dǎo)體行業(yè)處于大變局的當(dāng)下,提前實(shí)現(xiàn)對于“潛在顛覆性技術(shù)”的布局,有助于維持集成電路產(chǎn)業(yè)持續(xù)向前發(fā)展,有助于中國集成電路產(chǎn)業(yè)突破限制和封鎖,實(shí)現(xiàn)彎道超車,也有助于更好應(yīng)對未來在高科技領(lǐng)域的全球競爭。
為何關(guān)注后摩爾時(shí)代顛覆性技術(shù)?
過去的半個(gè)多世紀(jì),半導(dǎo)體行業(yè)一直遵循著摩爾定律的軌跡高速發(fā)展,但近年來,隨著制程不斷向前演進(jìn),技術(shù)升級的空間變小,成本的極具增加,單純依靠提升工藝來提升芯片性能的方法已經(jīng)無法充分滿足時(shí)代的需求,摩爾定律顯得“力不從心”,半導(dǎo)體行業(yè)逐步進(jìn)入后摩爾時(shí)代。
摩爾定律雖然放緩,科技進(jìn)步的速度變得難以預(yù)測,但集成電路依然不可替代,關(guān)注后摩爾時(shí)代潛在顛覆性技術(shù),有幾方面意義。
一是有觀點(diǎn)認(rèn)為這樣的顛覆式技術(shù)能夠?yàn)椤澳柖伞崩m(xù)命,保持集成電路繼續(xù)向前快速發(fā)展,讓科技進(jìn)步重新找回“節(jié)奏感”。當(dāng)前,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新密集而活躍,提前對這些潛在技術(shù)進(jìn)行布局,無論是對企業(yè)還是對產(chǎn)業(yè)而言,有助于在變革時(shí)代掌握主動(dòng)權(quán)。
二是中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,近年來已經(jīng)在許多關(guān)鍵技術(shù)方面獲得突破。但同時(shí)應(yīng)該看到,以美國為首的西方國家,始終對我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行打壓,這種情況在一直以來的《瓦森納條約》中對于光刻機(jī)的管制,對于大硅片技術(shù)的限制,近年來對于中興、華為、晉華等中國企業(yè)的制裁上體現(xiàn)得更為明顯。
“后摩爾時(shí)代”的來臨,既是對整個(gè)中國半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的挑戰(zhàn),但也可以說是一種機(jī)遇,如果能夠加強(qiáng)“后摩爾時(shí)代”集成電路潛在顛覆性技術(shù)的研發(fā)和提前布局,則能夠抓住“彎道超車”的機(jī)會(huì),實(shí)現(xiàn)中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突圍。
“趨緩的摩爾定律給追趕者機(jī)會(huì)。”近日,中國工程院院士吳漢明在“先進(jìn)集成電路技術(shù)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新”論壇上發(fā)言時(shí)指出。
三是如今美國、韓國、日本、歐盟等國家和地區(qū)都開始在半導(dǎo)體領(lǐng)域進(jìn)行巨額投入,這其中就包括潛在顛覆性技術(shù)。今年恰逢“十四五”的開局之年,“02專項(xiàng)”也在去年結(jié)束,因此,無論是對國家自身的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展,還是考慮到未來國家間的高科技領(lǐng)域競爭,對于“后摩爾時(shí)代”潛在的顛覆性技術(shù)進(jìn)行提前布局十分必要。
新材料與新架構(gòu)
目前,九成半導(dǎo)體器件由硅制造,硅材料具有集成度高、穩(wěn)定性好、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但在后摩爾時(shí)代,除了更高集成度的發(fā)展方向之外,通過不同材料在集成電路上實(shí)現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的性能是發(fā)展方向之一。此外,以RISC-V 為代表的開放指令集將取代傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)模式,更高效應(yīng)對快速迭代、定制化與碎片化的芯片需求。
北京半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)副秘書長朱晶曾撰文指出,圍繞新材料和新架構(gòu)的顛覆性技術(shù)將成為“后摩爾時(shí)代”集成電路產(chǎn)業(yè)的主要選擇。
在新材料方面,朱晶認(rèn)為通過全新物理機(jī)制實(shí)現(xiàn)全新的邏輯、存儲及互聯(lián)概念和器件,推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的革新。例如,拓?fù)浣^緣體、二維超導(dǎo)材料等能夠?qū)崿F(xiàn)無損耗的電子和自旋輸運(yùn),可以成為全新的高性能邏輯和互聯(lián)器件的基礎(chǔ);新型磁性材料和新型阻變材料能夠帶來高性能磁性存儲器如MRAM和阻變存儲器,三代化合物半導(dǎo)體材料、絕緣材料、高分子材料等基礎(chǔ)材料的技術(shù)也在孕育突破。
東方證券的分析指出,隨著5G、新能源汽車等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,對高頻、高功率、高壓的半導(dǎo)體需求,硅基半導(dǎo)體由于材料特性難以完全滿足,以GaAs、GaN、SiC 為代表的第二代和第三代半導(dǎo)體迎來發(fā)展契機(jī)。
在新架構(gòu)方面,朱晶認(rèn)為,以RISC-V為代表的開放指令集及其相應(yīng)的開源SoC芯片設(shè)計(jì)、高級抽象硬件描述語言和基于IP的模板化芯片設(shè)計(jì)方法,將取代傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)模式,更高效應(yīng)對快速迭代、定制化與碎片化的芯片需求。類似腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)的存內(nèi)計(jì)算架構(gòu)將數(shù)據(jù)存儲單元和計(jì)算單元融合為一體,能顯著減少數(shù)據(jù)搬運(yùn),極大地提高計(jì)算并行度和能效。計(jì)算存儲一體化在硬件架構(gòu)方面的革新,將突破AI算力瓶頸。
異構(gòu)集成與先進(jìn)封裝
隨著先進(jìn)制程的不斷向前演進(jìn),芯片制造工藝正變得復(fù)雜而且昂貴。在應(yīng)用多元化的今天,要求更加靈活和多樣的集成方式,這需要從以前的二維平面向三維立體進(jìn)行拓展,將不同功能的芯片和元器件整合封裝,實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成。
基于Chiplet(芯粒)的模塊化設(shè)計(jì)方法將實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成,被認(rèn)為是增強(qiáng)功能及降低成本的可行方法,有望成為延續(xù)摩爾定律的新路徑。Chiplet模式能滿足現(xiàn)今高效能運(yùn)算處理器的需求,具備設(shè)計(jì)彈性、成本節(jié)省、加速上市三大優(yōu)勢。
異構(gòu)集成的關(guān)鍵在于掌握先進(jìn)封裝技術(shù),具有降低芯片設(shè)計(jì)難度、制造便捷快速和降低成本等優(yōu)勢。SiP 等先進(jìn)封裝技術(shù)是Chiplet 模式的重要實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ),Chiplet模式的興起有望驅(qū)動(dòng)先進(jìn)封裝市場快速發(fā)展。
方正證券的分析指出,先進(jìn)封裝之所以能夠成為持續(xù)優(yōu)化芯片性能和成本的關(guān)鍵創(chuàng)新路徑,主要在于以下兩點(diǎn):
一是小型化:通過單個(gè)封裝體內(nèi)多次堆疊,實(shí)現(xiàn)了存儲容量的倍增,進(jìn)而提高芯片面積與封裝面積的比值。
二是高集成:以系統(tǒng)級封裝SiP實(shí)現(xiàn)數(shù)字和非數(shù)字功能、硅和非硅材料和器件、CMOS和非CMOS電路等光電、MEMS、生物芯片等集成在一個(gè)封裝內(nèi),完成子系統(tǒng)或系統(tǒng)。
分析進(jìn)一步指出,得益于對更高集成度的廣泛需求,以及5G、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和高性能計(jì)算HPC等大趨勢的推動(dòng),業(yè)界需要依靠先進(jìn)封裝來對沖芯片制造端的阻力,先進(jìn)封裝逐步進(jìn)入其最成功的時(shí)期。
目前,先進(jìn)封裝的重要性已成為行業(yè)共識,為搶占技術(shù)高地,全球主要封測廠、晶圓廠、IDM都在加緊布局先進(jìn)封裝。
長電CEO鄭力此前在接受媒體采訪時(shí)表示,“后摩爾時(shí)代”封裝技術(shù)已經(jīng)不再單純地只以線寬、線距和集成度來衡量,而是更多地考慮如何提升系統(tǒng)性能以及提升整個(gè)系統(tǒng)的集成度,封裝測試環(huán)節(jié)在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中的創(chuàng)新能力和價(jià)值越來越高。
成熟工藝與特色工藝
在“后摩爾時(shí)代”,隨著追求高精度制程工藝的節(jié)奏放緩,掌握成熟特色工藝的芯片制造商會(huì)首先獲益,可以憑借著產(chǎn)能優(yōu)勢、區(qū)位優(yōu)勢、服務(wù)優(yōu)勢、成本優(yōu)勢,來不斷拓展市場,并提升自身的技術(shù)水平,向更具有競爭力的領(lǐng)域延伸。
行業(yè)人士指出,特色工藝一般而言不會(huì)過度追求制程的精度,以注重工藝成熟度、高性價(jià)比為核心,但相應(yīng)產(chǎn)品的市場空間會(huì)長期存在,并且還會(huì)隨著下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而增長。
方正證券的分析指出,成熟工藝主要體現(xiàn)在8寸片和功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。功率半導(dǎo)體很多工藝平臺主要在8寸,并且8寸和12寸工藝上差別不大,從線寬角度看,12寸功率半導(dǎo)體也僅僅是90nm,只有做到功率IC才會(huì)往65nm線寬去發(fā)展。這意味著國內(nèi)絕大多數(shù)半導(dǎo)體設(shè)備和材料公司都可以為功率半導(dǎo)體產(chǎn)線提供設(shè)備和材料,從而最大限度的解決了卡脖子瓶頸問題,這是功率半導(dǎo)體發(fā)展的基礎(chǔ)。同時(shí)隨著國內(nèi)新勢力造車,以及中國的人口優(yōu)勢,在未來新能源汽車滲透率逐年提升的行業(yè)背景下,國內(nèi)功率半導(dǎo)體公司將迎來黃金發(fā)展期。
從市場的角度,目前在先進(jìn)制程方面,10nm以下產(chǎn)能僅占17%,而83%的市場是10nm以上節(jié)點(diǎn)。最近一年的缺芯事件也說明了如28nm、40nm等成熟制程的芯片產(chǎn)品仍有巨大的市場空間。
吳漢明院士就指出,實(shí)現(xiàn)本土可控的55nm芯片制造,比完全進(jìn)口7nm產(chǎn)品更有意義。如果能夠運(yùn)用成熟工藝,結(jié)合新材料的運(yùn)用提升芯片性能,將是后摩爾時(shí)代本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展機(jī)遇。
此外,如射頻領(lǐng)域的特色工藝制造,也是我國可能實(shí)現(xiàn)突破的領(lǐng)域。射頻前端器件一般使用成熟制程,不跟隨摩爾定律迭代。射頻前端器件對GaAs/GaN等新材料、新工藝的需求遠(yuǎn)勝于對先進(jìn)制程的需求。射頻前端器件對于移動(dòng)通信意義巨大、市場廣闊,在后摩爾定律時(shí)代,有利于我國追趕、反超世界先進(jìn)水平。(Humphrey)
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- 編輯:李娜
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