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吴汉明院士:后摩尔时代中国IC的挑战和机遇

11/21 10:26 作者:半导体产业纵横
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从28纳米、32纳米开始基本上就是一个后摩尔时代,因为摩尔定律的节奏已经给打破了。

11月19日,中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长聚焦产教融合支持交叉学科成果转化,以“后摩尔时代中国IC的挑战和机遇”为题发表主题演讲。

最初1965年时,摩尔提出了摩尔定律,“当价格不变时,可容纳的元器件数量约每年增加一倍,性能也将提升一倍。”10年后,摩尔发现每年把技术提升一代导致的结果就是研发的经费就跟不上了,所以到1975摩尔将摩尔定律修正为:单位面积芯片上的晶体管数量每两年能实现翻番。

后摩尔时代晶体管密度逐渐提升,最开始英特尔基本上能坚持,在每一个技术代上把它的晶体管壁翻一翻能做到,但是到2014年英特尔发展10nm就使用了4年,现在的目标是准备做7nm。英特尔无法做到每两年提升一代,每代密度加倍。

另一个龙头台积电,台积电基本上能每两年提升一代技术,但其提升的技术并不是把晶体管密度翻一番。所以从两个龙头企业来看,吴汉明院士认为,从28纳米、32纳米开始基本上就是一个后摩尔时代,因为摩尔定律的节奏已经给打破了。

摩尔定律里面另一个是说价格要持续的下降,也就是说每单个晶体管的价钱差不多就是每两年要降一倍下降一半。但从28nm后,制造成本下降趋缓。

对于如何在后摩尔时代培养人才的问题,吴汉明院士从最早的人才出现分析。集成电路在1947年的发明第一个晶体管,这是集成电路领域从0到1的创意阶段。科学家从0到1发现世界解决可能性问题,后面的几十年,就是工程师从1到100,改造世界解决可行的问题。其实摩尔定律发展60年,基本上就是卓越工程师的推进。对于集成电路产业发展,主要是依赖于卓越工程师的团队。

吴汉明院士以浙江大学电子学院的教材举例,会发现跟教材里面的90%以上的都是设计相关的。以其中与制造相关的集成电路工艺技术就能够体现交叉学科,如果将其归类可以看到在图形工艺里面,我们涉及到了一大堆的光学、材料、流体力学、传热、材质、物理等等。

集成电路制造是交叉学科集中体现的载体,人才培养的新挑战。芯片制造人才不靠灵机一动发明,它靠的是成套工艺中成体系和系统性的、稳定的关键工艺技术提升,一点一滴的积累。在工业化的道路上,我国集成电路产业也才刚刚进入追赶型的后工业化,所以不必过分强调追求所谓集成电路科学的原创。脱离制造业的基础和生态追求集成电路科学原始创新和基础研究,事实上是舍本逐末,事倍功半。无助于产业发展。

吴汉明院士分享了后摩尔时代的四类方向。第一是“硅-冯”范式,二进制基础的MOSFETCMOS(平面)和泛CMOS(立体栅FinFET、纳米线环栅NWFET、碳纳米管CNTFET等技术)。第二是类硅模式,现行架构下NC FET(负电容)、TFET(隧穿)、相变FET、SET(单电子)等电荷变换的非CMOS技术,这一类也是延续摩尔定律的主要技术。第三类是类脑模式,3D封装模拟神经元特性、存算一体等计算、并行性、低功耗的特点,人工智能的主要途径。第四是新兴范式,状态变换、新器件技术和新兴架构。

由于后摩尔时代工艺进步无法支持算力增长的需求,未来高算力芯片创新发展有三个路径,分别是,存算一体芯片、可重构计算芯片、三维集成技术。在三个方面,清华大学吴华强教授团队也做出了相关产品,例如:采用28nm实现了全球最大容量存算芯片,单芯片算力达到300-500TOPS;采用40nm工艺,可实现能效全球领先(~20TOPS/W)的混合程度可重构芯片;公开发表基于TSV的三维异质异构集成电路芯片。

在这些技术驱使下,也需要成果转化。在成果转换中,最牛的还是在1959年杰克·基尔比与他发明的第一块集成电路,五个月后出现了一个真正的二维的集成电路的雏形。之后专利交叉,德州仪器授权晶体管电阻电容集成、仙童授权平面互联线,这才真正的奠定了现代工程电脑产业的技术基础。

回顾看我们国家的发展历史,从1958年我国出现第一块硅单晶,这一时期中国与美国的差距落后很有限,但是在一开头做单晶硅的时候,中国比日本还提高了一点。但随着产能提升的发展,我们的差距越来越大。这是一个值得国内反思的地方。为什么开始落后?是工程文化建设不够。工程文化建设亟待加强。

吴汉明院士提出四点建议:

第一,提倡工程师文化,充分遵从工程的特点与规律,尊重工程中的创新性及系统性,崇尚解決重大工程问题的科学性与严谨性 ,重视工程技术应用优化和集成。

 

第二,不局限某一单项技术的引进和突破上。单点突破往往并不符合集成电路发展的规律。(突破传统独门秘籍和 “名教”的信仰)。

 

第三集成电路产业复杂性需要工程师的协作和配备能力 ,制造成套工艺和供应链上每环节都要达到一定层次,才有一流的成果。

 

第四,不仅仅依赖引进或转化先进技术,要更加重视产业生态链的塑造,建设符合市场成本原则配备和工业生产的能力。发展成套工艺是硬道理。

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