严格意义的摩尔定律(晶体管密度每隔两年翻一番)在2016年4月随着Intel不能量产10nm的器件而终结。同年3月,为摩尔定律的确定奠定重要基础的格鲁夫博士去世,算是给这个人类历史上史诗级的时代画上了句号。摩尔定律之所以重要,是因为该定律指导和协调了集成电路产业40年的发展,它的其他一些表述,比如每隔两年性能翻一番、价格降一半等,对更大的信息技术产业起到了极大的推动作用。目前集成电路产业每年的整体营收在4000亿~5000亿美元,整个电子信息技术产业在4万~5万亿美元,可以说,这个从上世纪中叶诞生的产业已经成为人类文明发展的基石。

 

集成电路发展需要重大调整和改变

摩尔定律时代会在什么时候结束,产业界一直有不同的预测,同时,也在做相应的规划。戈登·摩尔博士本人的态度一直很谨慎,在过去的30年间,每一次问到他摩尔定律什么时候终结时,他一直回答:“还有10年。”2010年以前主要对赌摩尔定律失效的企业基本上都失败了,虽然多数专家并不能看到具体的解决方案,甚至主要的发展方向,但是他们都对下一代工程研发抱有信心,乐见自己被超越。

 

历史上主要拯救摩尔定律的重大创新技术包括互补金属氧化物半导体替代双极性晶体管器件,降低功耗;超紫外13nm取代193nm步进投影曝光、步进投影取代掩膜对准曝光,增强图案精细度;离子注入替代扩散,提升掺杂精度;高介电常数材料取代SiO2,增强器件速度减少漏电;低介电常数材料取代SiO2和铜金属制程取代铝,提升互连线速度和降低功耗;化学机械抛光增加互连线层数和复杂度,有机封装增强绕线密度,降低成本;FINFET增强开关速度,等等。

 

集成电路产业目前形成了以下格局:制造中心从美国到日本再到现在的中国台湾和韩国,材料的中心主要在日本,整个制造链掌控在美国手中,低端辅助制造在中国大陆等。历史上集成电路的核心问题包括算力、功耗、成本、可靠性、可制造性等,这些问题今后还会继续贯穿后摩尔定律时代的集成电路发展。

 

摩尔定律的时代终将过去,这是因为指数性的成长是不可能永久持续的。按照每两年晶体管密度翻一番的速度,在30年的时间内单个处理器的晶体管数量会超过人类的脑细胞数,在300年内会超过地球的原子总数,在500年左右时间里将超过宇宙的原子总数。更为现实的是两个马上要面临的物理极限:朗道尔极限(0.02eV)和量子隧穿极限(2nm),前者是单位运算的能耗接近于热力学扰动的极限,后者是在小尺寸时穿透势垒的概率大增,导致晶体管失效。这两个极限按照摩尔定律的线性外推都几乎在20年左右时间到达。所以目前产业的发展需要极其重大的调整和改变。IBM在2021年发布了所谓2nm器件技术(实际量产可能还有6年),它的源和漏的间距实际上有12nm,工程上巧妙的创新和命名上的游戏无法避开实际的物理极限。

 

另外还有很多当年失效的想法,也终于逐步要变成后摩尔定律时代的主流解决方案,比如上世纪80年代日本政府就资助3D的晶体管堆叠,当年AMD因为量产良率不佳而采用多个物理切割的硅片来提升性能的芯粒(chiplets)技术,英特尔为20GHz处理器(因为散热问题解决不了)而推出的扇出封装工艺等。这些因为当时的算力需求、制程能力、产业链成熟度、市场接受度等被搁置的项目和后来的一些创新(比如量子计算、非二进制、非冯诺依曼架构、人工智能和机器学习等),构成了后摩尔定律时代的解决方案框架。

 

如今,产业中心逐步从硬件中心过渡到软件中心,从通用计算中心过渡到专用计算中心。硬件产业的革新有更多的影响因子,不再是应用、软件、算法、架构、器件、封装相对独立,而是互相交织,需要通盘考虑。

 

美国半导体产业协会SIA(Semiconductor Industry Association)和主要的政府与企业的联合机构SRC(Semiconductor Research Corp.),组织了全球主要集成电路相关的设备、材料、工艺制程和终端应用等企业,对后摩尔定律时代的核心研发方向做了一个系统的规划,在2021年发布了下一个十年发展的纲领性报告。这个报告通过描述和支持政府和产业机构的战略远景,引导学术、政府和工业界在关键领域进行革命性合作,为最前沿顶尖科学研究员、大学教授和学生树立明确的研究标杆,来聚焦信息处理、传感、传输、存储和安全,从而保障半导体和信息技术产业的健康持续发展。这个报告主要执行委员会的成员几乎都是相关企业的技术领袖,但是每一个专题的具体技术问题阐述都有大量的研究机构和大学参与。在这个报告里,他们明确了五个大的领域需要革命性的创新:一是模拟信号的处理,包括传感、功率、计算等;二是新型的存储器件和储存与计算的架构;三是未来的通信技术(从射频到光电等);四是更广泛的计算安全需求;五是计算能量效率提升。整体上,这个报告描绘了在后摩尔定律时代,数据收集的增长远大于存储能力,存储的数据量又远大于通信的带宽,所有海量的数据感知、存储和通信还将面临各种安全挑战。此外,计算的低能量效率限制了产业的成长,亟须改变。

 

全力培育“非对称性杀手锏”

我们国家的集成电路是被“卡脖子”最严重的产业,造成这种状况的主要原因是我们在市场、技术、人才、政策等很多方面缺乏积累。

 

在市场方面,目前,我国实际消耗的集成电路占到全球集成电路产能的20%左右,全球67%左右的集成电路或多或少和中国有关系。以上数据说明,市场已经不再是主要的问题。

 

在技术方面,我们国家知识产权积累较少,起点相对低,以前我们做不了通用计算是因为专利壁垒太高。但是在后摩尔定律时代,有很多变化正在发生。比如从通用到专用的转化需要大量的工程毕业生和与市场结合的能力,这是我们的强项;再比如,开源的RISC-V指令集摆脱了很多历史上的沉疴,为我国参与这个产业提供了特殊的机会。但是我们也要认识到,在技术发展的方向上仍有太多短视行为,很多企业因为只能做相对低端的市场就发表高端无用的言论,影响决策层的判断。而实际上,台积电2021年第一季度16nm以下工艺占据了他们6成的营收,接近中国大陆地区所有代工总和的10倍。目前很多专家强调细分领域的重要性,但是这些细分领域只占集成电路的1%左右,我们不能放弃另外的99%,否则还是会被“卡脖子”。

 

在人才方面,目前依然存在很大问题。我国集成电路产业人才缺乏尖端技术前沿的经验,以追随为主,技术研发的长周期和高投入导致创新动力缺乏;研究院所的人才严重缺乏产业经验,同时缺乏实际应用价值判断力。美国推出的半导体产业十年计划,主导的产业技术领袖一直活跃在技术前沿。因此,如何充分利用我国现有人才,如何培养未来人才,都需要业界进一步思考。

 

在政策方面,我国对风险的承受能力不够和对知识产权的保护不够是目前最大的问题。在知识产权领域,国内的相关制度也仍有待加强,业内要达成共识:没有知识产权保护,所有的创新价值都是零。

 

后摩尔时代有太多想象空间和技术缺口,想从根本上改变“卡脖子”状态,就要积极参与前沿科学的研究,要在某些新兴重大领域占据优势,并以此来进行交换,不能在所有的领域都靠跟随。“要有非对称性的杀手锏”,这是后摩尔定律时代产业发展的解决方案。

 

作者胡川,系广东省科学院半导体研究所学术委员会主任