魏少军对集成电路创新的一些思考

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近日举办的“2020中国（上海）集成电路创新峰会”在上海科学会堂举行。峰会期间，国家科技重大专项（01）专项专家组总体组组长、中国半导体行业协会副理事长、清华大学魏少军教授带来了主题为《关于集成电路创新的一些思考》的演讲，从集成电路发展历史到现状，再到中国发展契机，囊括技术和产业。笔者大致整理如下：

集成电路自诞生之日起，一直依靠创新驱动发展。计算也从人和物的交互，转变为当下的机器与机器的交互，5G和AI在过去几年对社会影响非常大。

集成电路的发展方向分为三个方向，芯片架构创新、微纳系统集成、新器件新材料新工艺。这三个方向都是为了推动摩尔定律前行。

关于器件结构的变化，魏少军表示，功耗曾是器件变革的重要原因。此前，体硅平面晶体管在20nm已经走到尽头，无法获得等比例缩小的性能、成本和功耗优势。

产业界在28nm之后的器件结构选择上曾经争论不休，但英特尔公司在22nm节点上成功采用FinFET晶体管后，产业界在14nm节点采用FinFET达成共识。“因此，大公司对器件结构选择的偏好，也会左右行业的发展，”魏少军如此说道。此外，FinFET结构被认为可以一直使用到5nm节点，但必须找到降低成本的有效途径。FD-SOI是一个重要选项，基于FD-SOI的FinFET技术也可能会占有一席之地。

目前来看，晶体管结构和材料也在不断创新，新型晶体管结构如FinFET，Nanosheet/Nanowire等，新型晶体管材料如High mobilitychannel，2D，CNT等。

此处，魏少军提到全包围栅晶体管（GAA），在应用了GAA技术后，业内乐观估计应基本上可以解决3nm乃至更小尺寸的半导体制造问题。

这里的GAA是Gate-All-Around环绕式栅极技术的缩写，也称为全包围栅极静态技术，特点是实现了栅极对沟道的四面包裹，源极和漏极不再和基底接触，而是利用线状、平板状或者片状等多个源极和漏极横向垂直于栅极分布后，实现MOSFET的基本结构和功能。

三星宣称相比7nm工艺而言，GAA技术电压可以下降至0.7V，并且能够提升35%的性能、降低50%的功耗和45%的芯片面积。同时，三星给出工艺过程展示，虽然GAA的制造和FinFET有一定的相似之处，但是其技术要求更高，难度更大，相应成本也更昂贵。

魏少军提到几个晶体管相关的创新技术，一个是负电容技术，2008年的时候，美国加州大学伯克利分校的胡正明教授正在试验中发现，如果在晶体管栅极采用铁电材料，可以在一定条件下实现负电容效应，从而大大降低晶体管的耗电。

一个是新型二维材料，天然只有三个原子厚度~0.6nm，制造出1nm晶体管。还有分子级晶体管，新型晶体管中的12铟原子以正六边形排列，每个铟原子的直径是167皮米。可通过改变铟原子上的电荷分布来改变晶体管中心酞菁分子方向，实现“0”和“1”两个状态，但不是传统晶体管的通断开关状态。

目前来看，材料和工艺创新是集成电路制造技术发展的主要任务。

关于芯片架构引领计算领域变革的思考中，魏少军表示，目前美国和欧洲都在高度重视软件定义芯片技术的研究。传统的软硬件划分对完成芯片设计来说已经不够了，芯片的架构设计必须包含芯片和软件两部分。而且由于软件加入而产生的增值也许会超过芯片本身价值。硬件工程师不得不开始介入设计软件。

魏少军将目前的处理器归类到以软件可编程性为Y轴，硬件可编程性为Z轴的四个象限里（如下图），其中通用处理器属于第二象限，专用集成电路属于第三象限，可编程逻辑器件为第四象限。软件定义芯片在第一象限里，兼具优异软硬件可编程性。

据介绍，软件定义芯片架构的通用控制单元是一个可编程的有限状态机。它从外部读取数据流、控制流和配置流信息，即所谓的“软件”；负责运行与任务对应的状态流程图，并以此控制各个子任务的执行，每个状态对应一组数据通道要执行的子任务，控制数据通道完成配置和执行。

“应用定义软件，软件定义芯片”是集成电路设计技术的一次根本变革。目前我国在软件定义芯片领域的突破早已于世界同行。软件定义芯片技术是能够替代ASIC和FPGA的新型电路架构技术，有望为我国集成电路设计业摆脱跟随模仿、实现赶超，提供一条全新的技术路线。

在集成技术创新开辟摩尔定律延续新路径的思考方面，魏少军表示，如今随着工艺节点不断微缩，设计成本也在爆炸式增长，但是并非所有的器件都需要最先进的工艺。

比如AMD以实现性能、功耗和成本平衡为目标，提出performance/W和performance/$衡量标准，并推行Chiplet，从而实现了逆袭。

此外，业界在封装技术上也从2.5D到3D封装的进阶，3D-IC系统集成也逐渐成为了主流。在此，魏少军提到了英特尔的3D Foveros技术和台积电的3D SoIC方案。

最后，魏少军表示，芯片是支撑数字经济发展的基础，在可以预见的未来，尚不会出现能够替代集成电路的其他技术。即使出现了，也需要数十年的时间和花费十数万亿美元才能替代今天的集成电路。

再者，经过60多年的发展，集成电路技术又一次站在岔路口上，主流器件、芯片架构和微纳系统集成等三个领域的创新，将是集成电路跨过5nm需要克服的几个关键技术。

器件结构的选择将决定未来竞争的制高点，架构创新将引领计算领域的变革，而微纳系统集成技术将开辟摩尔定律延续新路径。三者相互支撑，互相影响，是在5nm之后掌握发展主动权的关键。

如今，我国在集成电路领域进步很快，但“核心技术受制于人，产品处于中低端”的情况还没有彻底改观，基础研究和基础人才的培养没有跟上需求的发展是重要原因。未来十年，我们面临器件结构更新，计算架构创新和系统集成路径变革等重大机遇。抓住这些机遇将会大有所为。

来源：半导体行业观察

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