6月9日,在南京举办的世界半导体大会上,中国工程院院士吴汉明院士带来《后摩尔时代的芯片挑战和机遇》主题演讲。

 

中国工程院院士吴汉明    

 

 今天分享的主要有五个方面:
   

一、摩尔定律。
摩尔定律是在1965年,英特尔创始人提出来,他说每年要把晶体管的密度加一倍,这个节奏他做了10年以后,他发现不行,为什么?他赚来的钱不够支撑研发,过了十年以后他改口了,1975年他说两年把晶体管的密度加一倍,这样的节奏,技术研发的钱可以从商业盈利平衡掉。这样每年提升一倍的节奏太快,不可持续,两年把集成电路晶体管的密度加一倍的提法持续了将近50年。
   

回顾一下,当时我在大学的时候,计算机就叫8008,那个时候大概2400个晶体管,经过50年的发展,现在英特尔大概有10亿以上的晶体管,所以没两年翻一番的节奏到现在,英特尔基本上是在follow这个节奏。
   

这个延伸带来什么后果?上世纪70年代,一个晶体管大概是1美元,现在1美元可以买几百万个晶体管,使得晶体管的价钱降到百万分之一。各位手里的手机至少有2亿以上的晶体管,应该是几百亿个晶体管,如果各种各样的器件算进去的话。如果是这样,你的手机如果回到上个世纪70年代,你的手机就是200亿美元。这样的技术延伸给我们的社会和经济带来的发展当初不可想像。
   

摩尔定律的发展支撑了我们的通讯技术,从1G、2G到现在的5G,整个通讯技术的发展完全是base  on集成电路技术的发展,从130纳米到当今的14纳米、7纳米、5纳米,支撑通信技术的发展。
   

同样,对于人工智能也是这样,我本人是非常外行的,我不知道人工智能的算法结构怎么弄,但是我就相信所谓人工智能就是要让计算机看懂世界。怎么让计算机看懂世界?聪明的计算机需要用模拟的神经元特征,用新的技术来支撑发展。我认为AI技术基本就是摩尔定律的发展才能支撑发展到现在。
   

通过这张图可以看到从上个世纪70年代到现在2015年左右,我们把数据拉出来看,这6条曲线,Y轴表明性能,性能基本上是每一个摩尔定律每一代都往前提升,一路走到2015年,每条线都是往上提升,但是其中4条线已经没有办法往上提升了,包括从单核发展到上百个核。性能、功耗差不多都到达瓶颈水平(阶段)。唯一的晶体管的密度还是随着时间的延伸继续翻一番,从这个节奏好像还在follow摩尔定律。
    
   

二、产业面临挑战
产业面临的主要挑战是这个产业链太长,而且太宽。这里可以看到,所有在集成电路里的企业、公司、研究机构零零总总有很多,主要是材料、设计、制造、装备。
   

既然这个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。这张表可以看到,每年半导体在全球的流通大概是17000亿美金,我把主要数据列出来,比如和欧洲每年有190亿美金的流通,和台湾地区有1170亿美金的流通,和东盟有900亿的流通,世界在半导体器件上的流通是非常大的。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。
   

既然是全球化产业,产业链的总体分布主要分成四大块:设计(逻辑、分离、存储)、IPEDA、装备材料、芯片制造构成了集成电路产业链大的盘子。把这个盘子分开来看看右边的情况。
全球芯片制造装备主要的装备光刻、刻蚀、薄膜、制备、检测等等,这些装备各个国家所占有的比例。
    
   

三、芯片制造工艺挑战
技术层面上有三大挑战:

一、基础挑战:精密图形,以光刻机为主要装备的工艺,现在主要的先进工艺都是用波长193纳米形成20纳米、30纳米的图形,如果在座的朋友们记得中学的光学基本知识,知道当一个波长远大于物理尺寸时,物理尺寸的投影会非常模糊,但是就那么长的波长,我们集成电路的光刻工程师就做成了,现在7纳米也可以用193纳米波长的曝光工艺,形成几十纳米图形的很特殊的技术。我叫它基础挑战。

 

二、核心挑战:新材料。为什么这么说?本世纪以来有60多种新材料陆续进入集成电路的芯片制造,支撑摩尔定律往前发展。下面五组数据就是从130纳米到30纳米五个技术代,蓝色这部分就表示只是用尺寸的缩小,性能上是没有提升的,所以技术在往前走,如果没有新材料也是没有用的,虽然做得很小,但是性能根本上不来,性能上来主要靠新材料,像硅、铜等等使得32纳米的性能得到70%的提升,这一类的技术提升完全是靠新材料的支撑。所以在集成电路芯片制造中,主旋律就是新材料、新工艺,新材料支撑成套工艺的研发。

 

三、终级挑战:提升良率。所有芯片制造企业这是最头疼最艰难的挑战,不管先进工艺做得多好,良率上不来,这个工艺实际上不算成功,只有量产的通过一定良率才能说成熟的成套工艺。
   

在后摩尔时代发展中,主要有产业的三个驱动:高性能的计算、移动计算、自主感知,像物联网这一类需要这三个方面的驱动。三个驱动引导了技术研发的八个主要内容,目标主要是四个:PPAC就是(性能、功率、面积、成本)必须在2-3年之内有一定的提升,提升15%-30%不等,这是后摩尔时代芯片发展趋势的驱动内容和目标。
 
   

后摩尔时代,2002年以前,差不多每年的性能提升57%,到2010年每年提升23%,2010年每年提升12%,最近可以看到性能提升差不多是3%,这种提升如果定义为d,我们发现d2少于1d,就是发展速度慢下来了,意味着给我们追赶者的机会,摩尔定律走到尽头叫后摩尔时代,对于追赶者时代一定是个机会。
   

通过各种各样的结构改变做成新型器件,使得技术能够沿着摩尔定律继续往前走,但是瓶颈是功耗和速度是非常严重的比例关系,频率的三次方就是功耗,以这样的速度上去,会碰到墙的,新兴技术包括像TFET是延续摩尔定律的主要方向。“类脑模式”。也很热门,这是很好产业前景的技术方向。相对基础一点的遥远一点的包括通过改变状态实现逻辑运行的新型范式,像自旋电子的方向以及量子计算的新模式可能是新型的未来集成电路的发展方向,但是这个方向是相当前沿的,最近5-10年的产业化基本看不到。
   

把去年集成电路的产品拉出来,可以看到在10个纳米节点以下的先进产能占17%,而83%的市场都是相对成熟的技术节点,这部分的创新空间份额应该高度重视,前沿技术也要高度重视,但是成熟工艺上的空间发展也很大。
   

既然先进工艺很难走,用户包括设计公司最关心的应该是系统性能。我很高兴地看到国内有一家新创立的公司就用40纳米的工艺通过异构集成达到性能可以和16纳米的相比,通过比较成熟的工艺做出比较先进的系统,我觉得这代表未来的技术延伸、技术发展在后摩尔时代是非常好的方向。
  
   

我非常认可树立产业技术导向的科技文化。产业技术不是科研机构做完一个成果转化出来,如果定课题的时候定的研究方向就是一个产业技术,其实不应该存在转化,我个人认为转化只是一个加生饭,因为本来题目方向定不好,成果做完了说转化到企业里,这个动作是很奇怪的事情。我们看到英特尔,他们根本没有什么研发线,就是在线上做研发,成果就地转化,没有什么转来转去的事,转来转去说明当时做的事情没想明白所以赶快做,当然做基础研究可以这样做,做集成电路还是需要产业引领的科技文化。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,光性能做好了只是一个步骤,要产业包括良率、成本等等综合因素,在集成电路方面,我非常认可提倡产业引领的科技文化,同时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价值不会那么高。
   

我们把技术分为三个阶段,技术研发也是三步骤:一是前沿技术。通常有高校、研究所做的前沿技术,发展到产前技术,到产业技术。三个节点有机联合起来,前沿技术和产前技术基本上是供给侧的创新驱动的研究模式,高校研究所是主力部队;从产前技术到产业技术基本上是企业引领的市场需求的工作,所以在两个重合的地方就是产前技术。
   

在这个指导下,浙江大学最近正在建设12寸成套工艺研发平台,在这个平台上,我们希望把设计和制造创新一体化,不会让制造和设计有太大脱节,同时也是针对后摩尔时代市场碎片化的市场以小批量、多样化在实验平台上有很多创新、验证的机会。第二是在学生培养上需要做新工科的学院建设,让学生有更多的产教融合的实验场景。第三是希望突破一些产业链发展瓶颈包括新材料、新装备、新零部件、新运营模式等等,在我的实验线上可以进行尝试。
   

小结
主要是以下几个方面:

1.全球化是不可替代的途径,企业国际化、外企本土化。集成电路的发展一定是全球化的,某些国家说单边主义发展其实是没有前途的;

2.芯片制造三大核心挑战:图形转移、新材料工艺、良率提升;

3.后摩尔时代的产业技术发展趋缓,创新空间和追赶机会大;

4.树立产业技术导向的科技文化。