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毛军发院士:绕道摩尔定律,“集成系统”为中国变道超车提供历史机遇

毛军发院士总结道,摩尔定律面临极限挑战,转折点临近,微电子技术将从电路集成走向系统集成的变革性发展路径。

  长期以来,中国集成电路一直存在被“卡脖子”的痛点:一是要花巨资进口,比如2022年中国进口集成电路5384亿块,其价值高达4156亿美元。二是高端芯片对外依赖较重,形势严峻之时,高端芯片有钱也买不到。比如2022年9月,美国禁止英伟达对中国出口其最先进的高算力人工智能(AI)芯片;2023年1月,美日荷三国达成协议限制向中国出口先进半导体制造设备等。lUQesmc

  如何破解中国集成电路落后的僵局?

  “集成电路涉及数理化专业知识,以及机械、电子、材料、仪器仪表等多个环节,缺一不可。” 中国科学院院士、深圳大学校长毛军发近日在2023中国(深圳)集成电路峰会(简称:ICS2023峰会)上表示,“EDA、装备、材料的落后是导致中国集成电路落后的重要原因。”lUQesmc

  他以EDA为例,指出中国高校拥有很多算法教授,各自都有小程序、小模块,但各自为政,也缺乏大的集成商,而像Cadence、Synopsys这些巨头,正是其EDA中集成了数百个小软件模块,才拥有今天的江湖地位和市场规模。同时,中国工艺的落后也影响到EDA的发展。lUQesmc

  如何打破这种僵局?业界的思路都很清晰,就是延续摩尔定律——把晶体管做小,但在实施过程中仍面临物理原理、技术手段和经济成本三重极限挑战。因此,绕道摩尔定律成为另一种尝试思路,而毛军发院士所提出的“集成系统”概念,就是绕道摩尔定律的技术手段之一。lUQesmc

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  毛军发指出,“集成系统”概念的提出主要出于四方面的考虑:lUQesmc

  第一、集成电路(芯片)只是手段,微电子系统才是目的。单一芯片再先进,哪怕由1 nm工艺制造,即便集成1000亿个晶体管都没用,其只有在系统中才能发挥作用。lUQesmc

  第二、摩尔定律正面临挑战,再往前走难度会越来越大。lUQesmc

  第三、集成电路系统的前道设计加工,与后道的封装集成界限越来越模糊。lUQesmc

  第四、传统的1,000多种封装技术的做法,采取的是分立实施的步骤,即先做芯片,再封装,最后再搭建系统。这样效率很低。lUQesmc

  鉴于此,毛军发团队参照集成电路 (Integrated Circuits,IC) 的思想提出集成系统 (Integrated Systems,IS) 的概念。此概念被提出的初衷,就是希望能够像过去集成大规模电路一样实现复杂系统的集成。按照毛军发的说法,与其向着集成手段去发力,不如直接向着集成系统的目的去发力。lUQesmc

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  前道设计加工与后道封装逐步收敛融合

  “随着现在集成电路前后道工艺界限越来越模糊,如果任由这种趋势发展下去,将会对中国集成电路产业带来不利影响。” 毛军发如此强调道。lUQesmc

  据他介绍,台积电的SoIC(System on Integrated Chips)技术,它的堆叠芯片互联的间距(pitch)小于一微米,这一尺度跟片上互联的尺寸相当。它是片上互联,还是前道或后道,已经分不清了。正因如此,现在真正先进的封装技术必须要用前道工艺来做,像台积电、英特尔这些传统Foundry能力较强的厂商,如果他们把强大的前道工艺加工能力,用作后道封装集成,或会对中国大陆较强的封测能力造成降维打击。这需要我们高度关注。lUQesmc

  集成系统的定义,特色和意义

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  集成电路 (IC)的定义,就是将晶体管、电阻、电容和电感等元器件及互连线制作(集成)在一小块半导体芯片或介质基片上,形成具有预期功能的电路。即所有元器件在结构上已组成一个整体,使电路向着高密度、大规模、小型化、低功耗、低成本和高可靠性方向发展。lUQesmc

  而集成系统(IS)的定义,则是将各种芯片、传感器、元器件、天线、互连线等制作(集成)在一个基板上,形成具有预期功能的系统。即所有芯片与元器件在结构上组成一个整体使系统高密度、小型化、强功能、低功耗、低成本、高可靠、易设计、易制作。lUQesmc

  根据了解,集成系统主要有3大特色:lUQesmc

  一、从顶层开始设计可大大提高效率。系统规划,协同设计,融合制造,一体化集成。lUQesmc

  二、涵盖5大跨度,即跨尺度,跨材料,跨工艺,跨维度,跨物理的集成技术。lUQesmc

  三、在集成系统中,芯片只是组成部分之一,如果顶层设计的好,芯片的功能作用可被弱化,不用先进的芯片同样能实现需要的系统功能,比如利用芯粒(chiplet)技术、IP技术。用相对较落后的工艺,实现相对较为先进的系统功能,这样可以降低对光刻机的依赖。lUQesmc

  集成系统的意义可概括为3点:lUQesmc

  一、实现从电路集成向系统集成的跨越;lUQesmc

  二、它是后摩尔时代,整个集成电路发展的重要方向之一;lUQesmc

  三、它是整个中国,包括大湾区,深圳市,半导体产业实现变道超车发展的突破口和历史机遇。lUQesmc

  毛军发院士表示,如果说过去60年是集成电路的时代,现在可以大胆的预测,未来60年很可能是集成系统的时代。预测是否准确,尚待实践加以检验。lUQesmc

  另外,他还指出,“集成系统”概念已经提出,但现在全球没有完全符合其特征的技术,但存在一些技术雏形。lUQesmc

  一、如小芯片(chiplet)技术。lUQesmc

  二、像封装中的天线(AiP)技术。此技术就是把天线做到封装里,通过一体化实现封装系统小型化,将带宽加宽,将差损减小。lUQesmc

  三、是多功能无源元件技术。此技术就是用一个元件,实现过去五、六种分离元件结合在一起才实现的功能。毛军发表示,原先的上海交大科技组,就做出了一款一体化集成的无源器件,它既是一个天线,也是一个功分器,也是个滤波器。lUQesmc

  异质集成技术

  当前最能体现上述3类技术的,就是半导体异质集成技术。它指的是将不同工艺节点的化合物半导体coms器件或芯片集成在一起,以突破单一工艺的功能与性能极限,实现强大的复杂功能、优异的综合性能。毛军发指出,集成系统技术雏形早就有了,只不过不这么叫而已。而异质集成技术是集成系统最有力的技术手段。lUQesmc

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  此外,据毛军发介绍,美国的微电子计划(JUMP)内容很丰富,其重点之一就是异质集成。美国希望通过异质异构,使整个电子系统性能(探测能力和速度)再提升100倍,功耗成本降至当前的1%。它的效果就跟过去摩尔定律的效果相似,只不过技术手段不一样。它绕开了摩尔定律的发展方向,通过异质集成的方式实现目标。同时,他还指出,欧盟、日本、中国台湾地区,都在做这方面的一些研究。中国的上海交大、中电集团、中科院、长电科技等,也有一些相关研究。lUQesmc

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  而在提及3D异质集成的进展时,毛军发特别指出,IBM三维的异质集成电路集成了逻辑、存储、射频、光电子和传感器。它是典型的异质集成技术的体现。lUQesmc

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  集成系统的发展趋势和面临的挑战

  对于异质集成的发展趋势,毛军发认为,集成系统的发展趋势跟集成电路发展相似,它的工作速度和集成度会不断提高,但有一点它是比较特殊的——它是通过将电、光、机,甚至包括生物传感器,进行一体化集成,来实现强大的系统功能。lUQesmc

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  鉴于以上趋势,产业界所面对的挑战仍非常严峻。毛军发将其概括为3点:lUQesmc

  一是多物调控,包括电力、温度、应力等。lUQesmc

  二是多性能协同,涉及信号/电源完整性、热、力等。lUQesmc

  三是多材质融合,则涵盖硅、化合物半导体、Cu、BCB等。lUQesmc

  另外,毛军发还表示,跟摩尔定律相对应,集成系统也有定律。它指的是一个系统里所集成的芯片数和元器件数量,也会在一段时间内翻一翻,其成本会下降一半等。lUQesmc

  为了解决上述挑战,我们需要解决5个关键科学技术问题:lUQesmc

  问题一:集成系统体系架构。如何把一个复杂的电子系统,分解成不同的功能与性能,然后再选择恰当的工艺组合和封装集成的模式。毛军发认为,与芯片架构概念一样,集成系统架构也是最重要的。lUQesmc

  问题二:自动化智能化协同设计。其涉及电信号、机械信号、机械性能和温度特性,它们之间是相互矛盾的,但也需要协同。比如有源和无源电路的,有数字的和模拟的,有微波和的毫米波的,甚至包括光电的,它们之间非常复杂,既需要传统的自动化,也需要智能化的协同设计。lUQesmc

  问题三:工艺,特别是异质界面生成与工艺量化调控机理。毛军发表示:“过去的工艺设计和优化都是定性的,就是靠工程师经验进行优化和调控,我们能够希望通过多物理场计算,把这些工艺参数能以定量的量化形式予以控制。”lUQesmc

  问题四:无源元件.天线的小型化,这是针对射频系统而言的。打开手机可以看到,滤波器和天线占据整个手机板面积的80%。把滤波器、电感、天线做小,是将整个系统做小的关键所在。但是滤波器、天线的性能与尺寸有点矛盾,尺寸越小它的性能越差。lUQesmc

  问题五:集成系统的可测性。因为基础性底盘(多种材料、工艺的元器件、天线、芯片)都是三维集成,它的可测试点是有限的,而如果说有限的测试数据中繁衍出一些缺陷,这也会给研究带来挑战。lUQesmc

  研究成果:合作研制出首套及系列本土射频EDA商用软件

  据悉,毛军发院士所带领的团队,从上个世纪80年代末,就开始研究IC封装和互联,一直持续至今。其中,包括了几个重要时间节点和事件,比如2005年,其团队从事片上系统的互联问题和高端IP核研究(中国电磁场微波技术领域第一个创新群体);2009年,团队承担了中国电子封装领域第一个973项目,主要从事系统级封装的基础研究。2021年,团队获批新建国家自然科学基金委“毫米波异质集成电路”基础科学中心。lUQesmc

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  毛军发院士达到深圳之后,2022年由深圳大学联合上海交大以及中兴微电子,申请成立射频异质异构集成电路全国重点实验室,现在该实验室正在深大紧锣密鼓的建设中。lUQesmc

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  另外,毛军发团队在EDA软件工艺和系统方面取得一些进展。比如其团队联合芯和半导体研制出国内第一款EDA软件,以及后续几十款的系列EDA软件,其包括48款国产射频EDA商用软件工具;500种高精度PDK模型;与中芯国际工艺兼容的集成无源器件IP库,已量产20亿颗。lUQesmc

  据介绍,IP库经过了台积电、三星、格芯、中芯国际、意法半导体等晶圆厂严格认证,包括CMOS、FinFET、BiCMOS、SOl、IPD等不同的工艺,并且这些软件可在云端使用。lUQesmc

  截止目前,他的团队成果已获得200多家客户,不仅包括中国本土较为知名的射频、半导体或者系统厂商,同时还实现了对美国思科、英特尔、IBM等国际公司的出口。尽管量不大,但是能够反向出口也是一件比较难的事情。lUQesmc

  此外,毛军发团队还开发了基于硅基MEMS和BCB的异质健合工艺流程,基于异质集成的W波段毫米波雷达,还有利用异质集成开发出非侵入式生命体征探测毫米波雷达等。lUQesmc

责编:Zengde.Xia
夏曾德
夏曾德,《国际电子商情》副主分析师
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