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中国宣布反击!开启“后摩尔时代”

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互联网思想 2021-06-20 22:38

近期,随着《2021美国创新和竞争法》通过,美国对抗中国的战略已经正式公开。美国的持续打压势必会严重阻碍中国的半导体产业发展,以及中国数字经济及国家经济安全。

据彭博社爆料称,中国政府正在推动一项旨在帮助中国芯片制造商克服美国制裁的关键举措,从而重新推动中国多年来实现半导体芯片自给自足的努力。

国家支持第三代半导体发展的相关政策(不完全统计)

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值得注意的是,据中国政府网消息,国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议5月14日在北京召开。会议专题讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。

来源:中国政府网

业界认为,再过10年,芯片产业会进入后摩尔时代。当晶体管收缩不再可行时,创新不会停止,新材料、异构整合等会成为提高芯片性能的突破方向,如3D封装、第三代半导体、碳纳米管芯片、量子芯片等。

当摩尔定律失效,芯片业何去何从?第三代半导体开始浮出水面。

资料显示,与以Si、Ge为代表的第一代半导体和以GaAs、InP为代表的第二代半导体相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性。

GaN和SiC则是第三代半导体材料的代表,它们都具有禁带宽度大、击穿电场强度高、电子迁移率高、热导电率大、介电常数小和抗辐射能力强等特点,具有强大的功率处理能力、较高的开关频率、更高的电压驱动能力、更小的尺 寸、更高的效率和更高速的散热能力,可满足现代电子技术对高温高频、 高功率、高辐射等恶劣环境条件的要求,先天性能优越。

第三代半导体下游应用领域广阔,据CASA Research数据,消费类电源、工业及商业电源、不间断电源UPS和新能源汽车为SiC、GaN电子电力器件的前四大应用领域,分别占比28%、26%、13%和11%。另外在通讯领域,基于第三代半导体的射频器件也有着极为重要的地位。

随着下游终端需求不断增长,第三代半导体的需求亦有望持续释放。同时叠加国家政策对第三代半导体发展的大力支持,行业潜在市场空间巨大,据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》指出,2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。

摩尔定律仍在发挥余热

半导体工业诞生于上世纪70年代。1965年,时任仙童半导体的工程师摩尔预言了集成电路发展的趋势,后经修正,就是大名鼎鼎的摩尔定律,即集成电路上可容纳的晶体管数量每隔18-24个月就增加一倍,性能也提升一倍。换言之,为了达到摩尔定律,在二维层面,晶体管的长宽需各缩小到原来的70%,才能让芯片面积缩小近一半。

摩尔定律下CPU、存储器、逻辑芯片的尺寸越来越小

来源:电气与电子工程师协会

50多年来,半导体产业大体沿着摩尔定律在发展,但速度已有所放缓,且已逼近硅材料的物理极限。以台积电为例,2018年4月,其实现了7纳米工艺量产,2020年三季度实现5纳米工艺量产,预计3纳米工艺将在明年下半年实现量产。有报道称,台积电2纳米工艺预计在2024年量产,1纳米工艺研发亦在推进。

来源:台积电

此外,各大厂商对工艺节点的命名也出现了分歧,不再是简单的0.7倍微缩法则。近期,IBM发布了2纳米工艺,但业界有不同声音,经过模拟测量,认为该工艺更接近3纳米。又如英特尔的10纳米芯片与台积电的7纳米芯片具有大致相等的晶体管密度。当前业界正在讨论哪种新数字或数字组合可以更好地反映进度。

值得一提的是,荷兰ASML公司的EUV光刻机可在大批量生产中提供最高分辨率的光刻技术,从而推动了摩尔定律的发展。ASML正在研制更为先进的EUV光刻机,如High-NA EUV(0.55NA),预计在明年交付,届时1.5纳米及更高工艺逻辑芯片生产将成为可能。ASML认为,未来10年,会继续在成像和覆膜性能方面出现重大创新。

来源:Semiwiki

1纳米被看作摩尔定律在工艺上的极限,业内普遍预计,摩尔定律在未来10年仍将发挥余热。

颠覆性技术会有哪些?

后摩尔时代,技术创新会变得更具挑战性。ASML认为,下一代芯片设计将包括更多奇特的材料,新的封装技术和更复杂的3D设计。半导体行业将把来自物理、化学、生物和计算机科学各个领域的工程师联系起来。这些设计将有助于生成现在甚至无法想象的消费产品。它们还将推动即将出现的下一波创新浪潮。

据了解,28纳米工艺以下各节点各厂商仍称为0.7X微缩,但闸级线宽却是约0.9X微缩,之所以摩尔定律继续有效,主要源于技术创新。如面积微缩法则,存储器芯片从2D进阶到3D。

英特尔展示其3D NAND技术

来源:英特尔

目前,采用异构堆栈的3D封装技术越来越受产业重视,英特尔、台积电、三星等一线厂商积极布局,长电科技、通富微电、华天科技这三大国内封测厂亦有技术平台。

台积电展示其3D封装技术之一

来源:台积电

随着集成电路制造工艺技术的不断发展,对端口密度、信号延迟及封装体积等提出了越来越高的要求,促进了先进封装如凸块、倒装、硅穿孔、2.5D、3D等新型封装工艺及封装形式的出现和发展。

长电科技认为,3D集成技术正在三个领域向前推进:封装级集成、晶圆级集成和硅级集成。各种类型的堆叠集成技术被用于将多个具有不同功能的芯片集中到越来越小的尺寸中。

新材料方面,第三代半导体被寄予厚望。目前,第三代半导体材料中比较成熟的有碳化硅、氮化镓等。第三代半导体材料具有高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射等特性,可以实现更好电子浓度和运动控制,特别是在苛刻条件下备受青睐,在5G、新能源汽车、消费电子、新一代显示、航空航天等领域有重要应用。(中国证券报 吴科任)

刘鹤开会,提到的“后摩尔时代”是什么概念?

国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议5月14日在北京召开。中共中央政治局委员、国务院副总理、国家科技体制改革和创新体系建设领导小组组长刘鹤主持会议并讲话。此次会议还专题讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。

那么会议中提到的“后摩尔时代”是什么概念呢?

广为人知的摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

过去的半个多世纪,半导体行业一直遵循着摩尔定律(Moore's law)的轨迹高速的发展,如今我们的半导体制程节点已经来到了5nm,借助于EUV光刻等先进技术,正在向3nm甚至更小的节点演进,每进步1nm,都需要付出巨大的努力,单纯靠提升工艺来提升芯片性能的方法已经无法充分满足时代的需求,半导体行业也逐步进入了后摩尔时代。

在后摩尔时代,技术路线基本按照2个不同的维度继续演进:

“More Moore”:继续延续摩尔定律的精髓,以缩小数字集成电路的尺寸为目的,同时器件优化重心兼顾性能及功耗。

“More than Moore”:芯片性能的提升不再靠单纯的堆叠晶体管,而更多地靠电路设计以及系统算法优化;同时,借助于先进封装技术,实现异质集成(heterogeneous integration),即把依靠先进工艺实现的数字芯片模块和依靠成熟工艺实现的模拟/射频等集成到一起以提升芯片性能。

通俗的说,过去的半个世纪,得益于半导体芯片产业飞速发展,在摩尔定律的驱动下,计算力一直保持着大跨度的发展。1956年,英特尔创始人戈登·摩尔提出,集成电路的集成度每两年会翻一番,后这个周期缩短到18个月,微处理器的性能每隔18个月提高1倍。

然而,硅芯片已逼近物理和经济成本上的极限,各界纷纷预测,摩尔定律在不久的将来面临失效,半导体工艺升级带来的计算性能的提升不能再像以前那么快了,每一代制程工艺的研发和成熟需要的时间将越来越长。制程发展减缓,新的替代材料和计算方式还未成熟,想要追求更高的计算力,可以从两个方向发展。

一个方向是向内,借助服务器系统架构的优化,打破数据读取瓶颈,从而提升单机计算力。当前,服务器普遍采用的是冯诺依曼架构,即计算和存储分离,而CPU的处理速度和数据的读取速度却无法匹配。纵观整个计算史,处理最缓慢的一部分就是从硬盘获取数据,很多处理性能都浪费在了等待数据到达上,数据存取问题成为目前提升计算速度的第一大难题。

另一个方向是向外,横向堆积更多的计算单元,提升数据中心的整体计算力。计算单元的堆积意味着数据中心内的服务器设备越来越多,数据中心规模越来越大,但是这又会带来功耗、散热和运维管理的挑战。根据市场调研机构Synergy Research发布的数显示,全球服务器保有量超过5万台的超大规模数据中心现在2018年超过430座,这个数量还将继续增。而且,传统的数据中心多采用分布式架构,设备间的互连网络带宽远低于板内和设备内的互连带宽,并且网络协议复杂、层次众多,协议的转换和处理占用了大量系统资源,导致业务系统扩展性受到严重限制,数据中心面临网络性能瓶颈。

原中芯国际创始人兼 CEO 张汝京曾表示“第三代半导体有一个特点,它不是摩尔定律,是后摩尔定律,它的线宽都不是很小的,设备也不是特别的贵,但是它的材料不容易做,设计上要有优势。”

中国工程院院士、浙江大学杭州国际科创中心领域首席科学家吴汉明此前就曾指出,“后摩尔时代”来临,中国IC产业面临重大机遇。

吴汉明认为,当前中国IC产业面临两大壁垒。

其一是政策壁垒,主要来自巴黎统筹委员会、瓦森纳协议的困锁,先进工艺、装备材料和设计、EDA(电子设计自动化)软件等产业链的三大环节被“卡脖子”。

其二则是产业新壁垒。产业上的难点主要体现在技术上,中国半导体行业必须尽快做强核心专利,甚至要有一些“进攻性”的专利与其抗衡。

天风证券报告指出,超越摩尔定律在后摩尔时代迎来了高潮。而超越摩尔定律相关技术发展的基本点,一是发展不依赖于特征尺寸不断微缩的特色工艺,以此扩展集成电路芯片功能。二是将不同功能的芯片和元器件组装在一起封装,实现异构集成。

中国电子科技集团公司第五十八研究所名誉所长许居衍院士曾做《从技术走向应用看后摩尔时代的创新》的演讲。

他预测:今后十年到十五年,将会有两个重要机遇。

其一,创新将会从有序创新到无序创新。

在摩尔定律时代,未来可以预测,创新围绕应用。发展到现在,产业开始不清楚未来发展方向,机遇变化很快,新的时代会出现新的方式,因此创新将会从有序创新到无序创新。”许居衍院士解释道。

许居衍院士以存储器为例,他表示,存储产业的产值占半导体产业生产的30%左右,因此用存储器的生命曲线可以大致为半导体产业做预测。他指出,在1986年左右,是存储器发展的上升拐点,到1989年,存储产业发展速度下降越来越快,到2018年,技术再次起飞,进入后摩尔时代。

目前的技术发展按照摩尔定律作为指导已经无法进行,2016年,产业从摩尔定律指导转为自下而上的发展路线。2017年,美国国防高级研究计划局部署“后摩尔定律”电子复兴计划。同期,计算研究协会的计算社区联盟成立后摩尔定律计算任务小组。2018年,日本、欧盟等也发布了后摩尔定律相关文件以及策略。

直到2019年,我国发布“后摩尔时代新器件基础研究”重大研究计划。最近中科院正式筹建了集成电路创新研究院,以期占领后摩尔时代的制高点。

各国都认为在后摩尔定律抓住机遇很重要。因此创新思维发生变化。过去大家焦点集中供暖,自觉聚焦创新方向。现在百花齐放,自主分散破解瓶颈。

时势造英雄,无序出枭雄。摩尔定律成就了两代人的辉煌,也固化了相应的定势思维模式。后摩尔时代呈现百花齐放盛景,新一代人或将创造更大的辉煌。

其二,架构是技术走向应用的桥梁。

架构是规划,设计,构造楼房和其他物理结构的流程和其他物理结构的流程和产品。许居衍院士表示,架构创新将占领世界。未来时间,是架构创新的黄金年。

用架构和技术来划分,可以分成四类:

全新技术与架构下的基础物理探索;

基于现行硅技术探索非冯架构;

搭“摩尔”便车在冯架构下进行应用创新;

基于现行架构探索非“硅”技术。

在后摩尔时代,技术与应用将走向百花竟放的盛景,也可以分成四类:

第一类是“新兴”范式量子、生物。这类主要是基于新兴状态变化、基于新兴器件技术;

第二类是“类脑”模式模拟形态计算,即用硅技术电路系统模拟生物神经形态;

第三类是“硅-冯”范式MOSFET,即用硅的二进制编码表证事物的特征与演变;

最后一类是“类硅”模式NCFET等,即基于电荷变化进行器件技术。

关于如何把握新时代、新机遇,许居衍院士指出,首先要关注创新进程,目前器件技术正在不断创新,新兴状态器件正不断出现,同时还存在两个机遇期,一方面是AI等市场,另一方面是架构创新。

其次要守住两个理念,主战场依旧是Si-vN范式,但Si-CMOS技术以及vN计算模式将如何发展仍未可知,需要注意的是颠覆性新兴的范式,历史上的“逻辑复归”会否出现新兴基础技术?

最后是需要明白,未来世界也许会重新洗牌,许居衍院士举例表示,上世纪初最大的公司,现在已经退出50名;2000年还不存在的Alphabet,亚马逊,Facebook,腾讯和阿里巴巴则进入了前十名!今后三十年的领航者中将会包括哪些新兴公司?

(来源:经济学家圈)

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