吴汉明院士世界半导体大会演讲：详解后摩尔时代，芯片制造三大挑战

6月9日报道，今日，2021世界半导体大会暨南京国际半导体博览会正式开幕。在上午的高峰论坛上，中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明着重分享了后摩尔时代的芯片挑战与机遇。吴汉明院士曾任中芯国际技术研发副总裁，长期工作在我国集成电路芯片产业并做出突出贡献。在演讲期间，他完整回顾半导体行业如何从摩尔定律时代跨入后摩尔时代，分享了芯片制造存在哪些挑战、后摩尔时代带来的机遇、全球化受阻的影响和发展方向等话题，并专门讨论面向后摩尔时代集成电路潜在颠覆性技术。其总体讨论内容如下：一、回顾摩尔定律发展，全球化不可替代什么是摩尔定律？1965年，英特尔创始人戈登?摩尔提出，在价格不变时，集成电路上的晶体管密度每年加倍，性能也提升一倍。做了十年后，他发现不行，赚来的钱不够支撑研发，到1975年改口说单位面积芯片上的晶体管数量每两年增加一倍。这一提法持续了近50年。上世纪70年代，1个晶体管价值达1美元，现在1美元能买几百万个晶体管，也就是说，当今每个晶体管价格仅有当初的百万分之一。从2G时代的130nm发展到14nm、5nm，摩尔定律发展支撑了通信技术、AI发展。如图，到2015年，下面4条特征线接近瓶颈，难以继续提升，唯有晶体管密度继续沿着摩尔定律向上发展。但在2014年左右，大概28nm时，100万晶体管的价格为2.7美分，到20nm，这一价格增至2.9美分，单个晶体管价钱在往上涨，这就违背了摩尔定律的初衷——价格不变。我国专家许居衍院士曾在1992年的中国电子学会第五次学术年会文集中预测，摩尔定律2014-2017年失效，但硅基生命还很长。吴汉明院士认为，我国集成电路产业面临的主要挑战是产业链太长、太宽，例如我国在装备领域，光刻机尚需攻关，在多个关键材料方面仍依赖进口。每年半导体在全球流通达1万7千亿美元，这种流通使得集成电路能沿着摩尔定律发展到如今欣欣向荣的状态。从集成电路产业链整体分布来看，IPEDA基本被美国垄断；而中国大陆在多个细分产业占比较小。美国曾做一个评估，如果美国要建立一个完全自主可控产业链，成本约达9000亿～12000亿美元，将导致涨价35%~65%。从具体的芯片制造装备来看，ASML占据了光刻装备大头，我国厂商的刻蚀、清洗等装备已经进入芯片制造大生产线，但这些装备目前还没进入非常高端的生产线应用。二、芯片制造的三大核心挑战吴汉明院士总结了芯片制造工艺的三大挑战：1、基础挑战：精密图形。现在主要先进工艺193nm波长的光源能曝光出20-30nm的图形，如果还记得中学光学基本知识，当波长远大于物理尺寸，分辨率会非常模糊。2、核心挑战：新材料、新工艺。有64种新材料支撑了摩尔定律的发展，技术往前走，如果没有新材料，性能也上不来。如图可以看到，新材料支撑着性能的提升。3、终极挑战：提升良率。这是所有芯片企业最艰难、头疼的挑战，工艺流程中会累积大量统计误差，如果良率提升上不来，不算成功。从技术趋势来看，后摩尔时代需要产业三驱动、技术八内容、PPAC四目标。三、后摩尔时代技术发展趋缓，追赶者机会大在吴汉明院士看来，随着摩尔定律发展速度慢下来，这给了追赶者机会。许居衍院士曾提出后摩尔时代有4类技术方向：（1）主流方向是硅基冯诺依曼架构，其瓶颈是功耗和速度的平衡问题；（2）类硅模式是延续摩尔定律的主要技术；（3）最近类脑模式也很热门，有产业前景；（4）新兴范式是非常前沿的未来集成电路发展方向，属于基础研究范畴，最近5-10年可能看不到产业化进展。从制程节点分布来看，10nm节点以下先进产能17%，83%的市场集中在10nm以上节点，成熟制程等市场发展有巨大市场和创新空间，需要高度重视。台积电的一些成熟制程占比也在增长。设计公司最关心系统性能，吴汉明院士也看到了国内公司的一些成果。比如国内创企芯盟采用40nm工艺做出高性能异构集成单芯片，再比如紫光国芯SeDRAM采用直接键合异质集成工艺，每Gbit带宽高达34GB/s、能效达0.88pJ/bit。四、商业成功是检验技术创新的唯一标准其实我们集成电路在上世纪50年代并不落后，产能领先日本两年、落后美国六年，但到1996年，我们已经落后日本20年。产能提升刻不容缓。吴汉明院士对芯片过热的说法提出质疑。他认为，过热原因是忽悠的人多，认真做芯片的人太少，他援引芯谋研究顾文军的数据，按这样节奏发展下去，制造GAP将有8个中芯国际的产能。随后，他引用了《中国科学报》关于树立产业技术导向的科技文化的内容。1、产业技术不是科研机构转化后的应用开发，而是引导科研的原始动力。2、目标导向的研究不看什么新成果，而是看产业技术有什么需求。3、实验室技术是单点突破，但产业需要面的突破，不能有明显短板，要考虑综合因素。实验室技术也许能解决90%的要求，但余下10%可能要再花10倍的精力。4、坚持全球化技术发展路线，理念上要做重大调整，认可提倡企业创新命运共同体。在吴汉明院士看来，要努力建设产业引领的科技文化，商业成功是检验技术创新的唯一标准。吴汉明院士还分享了技术研发三步曲。最后，吴汉明院士也顺带提及浙江大学正在打造的12英寸成套工艺研发平台。他希望加速举国体制下的公共技术研发平台建设。结语：更多进展敬请期待当前全球半导体产业进入调整期，风险与机遇并行。包括吴汉明院士在内，一众国内外产学界专家分别围绕集成电路设计、制造、软件、封测、材料等不同环节，分享前沿的产业及技术见解。除了举行论坛外，大会同期还举办专业博览会，规模达18000平米，比去年增加50%，更是汇集了台积电、中芯国际等芯片制造公司，新思科技、芯华章等EDA软件公司，澜起科技、大鱼半导体等芯片设计公司，日月光、长电科技等半导体封测公司，中微半导体等设备公司，长晶科技等半导体器件公司，安集微电子、泉州三安等半导体材料公司在内的300余家展商。同时，上海、广东、陕西、泉州、珠海、淄博、天津等省市还将组团参展，全产业链展示国内外半导体领域的科技创新技术与应用成果。接下来，芯东西将在世界半导体大会期间发来更多报道。