半導體行業如何打破摩爾定律失效的魔咒

當前，全球半導體產業正處于迭代升級的關鍵期，與此同時產業的基本規律 —— 摩爾定律正逼近物理、技術和成本的極限，2002 年以前全球芯片每年性能提升 52% 左右，到 2010 年為 23%，2010 年為 12%，最近幾年差不多每年提升 3%，隨著發展速度不斷下降，摩爾定律開始失效，后摩爾時代即將來臨。

在“2021 世界半導體大會暨南京國際半導體博覽會”上，眾多行業專家也就半導體行業如何打破摩爾定律失效的話題進行了詳細的解讀，分享了各自的觀點和看法。專家一直認為，目前摩爾定律正面臨嚴峻的挑戰，但同時也給產業帶來了很多機遇。

異質集成電路是后摩爾時代集成電路發展的新方向

我國集成電路產業面臨“卡脖子”的痛點。一方面中國花費巨資進口。數據顯示，2020 年中國進口集成電路價值 3500 億美元（同年進口石油 1760 億美元），高端芯片基本依賴進口。另一方面，集成電路有錢也買不到。2020 年 5 月，美國商務部宣布全面限制華為購買美國軟件和技術生產的半導體產品。2021 年 4 月，美國商務部建議對 14nm 以下所有中國芯片公司出口管制。

眾所周知，集成電路是一個國家綜合科技實力乃至綜合國力的反映。毛發軍認為，我國集成電路產業落后的原因復雜，外在因素是先進技術受到西方封鎖，內在原因是我國集成電路產業瞻前顧后，導致產學研脫節。

在中國科學院院士，上海交通大學黨委常委、副校長毛軍發看來，目前，集成電路的發展方向主要有兩個，一是繼續延續摩爾定律；二是繞道摩爾定律。這兩條道路都面臨挑戰，前者面臨物理原理極限，技術手段極限以及經濟成本極限。后者要朝著異質集成電路方向發展。

毛發軍指出：“集成電路有兩類材料，元素半導體和化合物半導體材料，這兩類各有優缺點。如何將兩者的優點結合起來？只有異質集成電路才能做到?！?/p>

所謂半導體異質集成電路指的是將不同的工藝節點的化合物半導體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成度期間或芯片（都含光電子器件或芯片），與有源元件或天線、通過異質鍵合或外延生長等方式集成而實現的集成電路或系統。

毛軍介紹稱，異質集成電路特色突出：一是可以融合不同半導體材料、工藝、結構、元器件或芯片的優點；二是采用系統設計理念；三是應用先進技術，如 IP 和小芯片（Chiplet）、集成無源器件等新技術；四是具有 2.5D 或 3D 高密度結構。

“正因為如此，其優勢也非常突出：一是實現強大的復雜功能，具有優異的綜合性能，可突破單一半導體工藝的性能極限；二是靈活性大、可靠性高、研發周期短、成本低；三是小型化、輕質化；四是對半導體設備要求相對較低，不受 EUV 光刻機限制。”

毛發軍總結表示，總而言之，半導體異質集成電路突破了單一工藝集成電路的功能、性能極限，實現高性能復雜電子系統，非常具有研究價值。它是電子系統集成技術發展的新途徑，也是后摩爾時代集成電路發展的新方向，更是集成電路變道超車的新機遇。

后摩爾時代存在三個主要驅動方向

中國工程院院士吳漢明在大會上表示，1970 年代，晶體管價格 1 美元/個，這個價格如今能購買上萬個晶體管，如今一部手機中的芯片，加起來有百億級規模的晶體管，若回到 1970 年代，同樣一部手機要花費百億美元。

從 1970 年代至今，芯片的性能在不斷提升，但數據顯示，自 2015 年前后，芯片的各項性能的增長開始趨于飽和。吳漢明表示，從晶體管的不斷增加來看，產業仍然在遵循著摩爾定律，但是從單位成本來看，在 2014 年左右，芯片工藝演進至 28nm 時，100 萬晶體管的價格大約是 2.7 美分，當演進到 20nm 時，價格反而漲到 2.9 美分，晶體管的漲價現象，已經違背了當初的摩爾定律。

吳漢明指出后摩爾時代，高性能計算、移動計算、自主感知是三個主要驅動方向，業界需要圍繞性能、功率、面積、成本進行創新。

在他看來，如今，芯片制造工藝正面臨三大挑戰，也蘊涵著三大創新方向。

第一，基礎挑戰：精密圖形。以光刻機為主要裝備的工藝目前用 193 納米波長形成 20 納米、30 納米的圖形，在物理原理上面臨很大挑戰。

第二，核心挑戰：新材料。芯片發展至今，緊靠尺寸縮小帶來的性能提升非常有限，新材料成為重要突破方向，例如硅、銅等將 32 納米性能提升 70%。因此，新材料、新工藝是集成電路芯片制造的主旋律。

第三，終級挑戰：提升良率。工藝無論多么先進，良率如果太低就不算成功，因此提高良率也是重要方向。

此外，吳漢明認為，后摩爾時代有四類技術方向：“硅-馮”范式，通過改變結構形成新型器件，使得摩爾定律能夠繼續，瓶頸在于功耗和速度；類硅模式，通過 TFET 等延續摩爾定律；類腦模式，通過 3D 封裝模擬神經元特性，具有存算一體、并行、低功耗等特點，是人工智能的主要途徑；新興范式，通過改變狀態、采用新器件和新興架構實現集成電路創新。

吳漢明表示，摩爾定律失效對于追趕者而言是個機會。“事實上，在先進工藝創新難以為繼時，廠商可以通過系統性能提升，在已有成熟工藝的基礎上做出更多創新，提升芯片性能?！?/p>

值得一提的是，中國是全球集成電路企業發展的沃土，內外資集成電路企業共享中國市場的紅利。中國政府持續營造一個開放合作、公平競爭的產業發展環境，促進全球范圍內的分工協作共享，在公平競爭中實現產業繁榮。