積極參與前沿技術研究應對后摩爾時代挑戰

作者：廣東省科學院半導體研究所學術委員會主任 胡川來源：中國電子報、電子信息產業網

         嚴格意義的摩爾定律（晶體管密度每隔兩年翻一番）在2016年4月隨著Intel不能量產10nm的器件而終結。同年3月，為摩爾定律的確定奠定重要基礎的格魯夫博士去世，算是給這個人類歷史上史詩級的時代畫上了句號。摩爾定律之所以重要，是因為該定律指導和協調了集成電路產業40年的發展，它的其他一些表述，比如每隔兩年性能翻一番、價格降一半等，對更大的信息技術產業起到了極大的推動作用。目前集成電路產業每年的整體營收在4000億~5000億美元，整個電子信息技術產業在4萬~5萬億美元，可以說，這個從上世紀中葉誕生的產業已經成為人類文明發展的基石。

集成電路發展需要重大調整和改變

  摩爾定律時代會在什么時候結束，產業界一直有不同的預測，同時，也在做相應的規劃。戈登·摩爾博士本人的態度一直很謹慎，在過去的30年間，每一次問到他摩爾定律什么時候終結時，他一直回答：“還有10年。”2010年以前主要對賭摩爾定律失效的企業基本上都失敗了，雖然多數專家并不能看到具體的解決方案，甚至主要的發展方向，但是他們都對下一代工程研發抱有信心，樂見自己被超越。

  歷史上主要拯救摩爾定律的重大創新技術包括互補金屬氧化物半導體替代雙極性晶體管器件，降低功耗；超紫外13nm取代193nm步進投影曝光、步進投影取代掩膜對準曝光，增強圖案精細度；離子注入替代擴散，提升摻雜精度；高介電常數材料取代SiO2，增強器件速度減少漏電；低介電常數材料取代SiO2和銅金屬制程取代鋁，提升互連線速度和降低功耗；化學機械拋光增加互連線層數和復雜度，有機封裝增強繞線密度，降低成本；FINFET增強開關速度，等等。

  集成電路產業目前形成了以下格局：制造中心從美國到日本再到現在的中國臺灣和韓國，材料的中心主要在日本，整個制造鏈掌控在美國手中，低端輔助制造在中國大陸等。歷史上集成電路的核心問題包括算力、功耗、成本、可靠性、可制造性等，這些問題今后還會繼續貫穿后摩爾定律時代的集成電路發展。

  摩爾定律的時代終將過去，這是因為指數性的成長是不可能永久持續的。按照每兩年晶體管密度翻一番的速度，在30年的時間內單個處理器的晶體管數量會超過人類的腦細胞數，在300年內會超過地球的原子總數，在500年左右時間里將超過宇宙的原子總數。更為現實的是兩個馬上要面臨的物理極限：朗道爾極限（0.02eV）和量子隧穿極限（2nm），前者是單位運算的能耗接近于熱力學擾動的極限，后者是在小尺寸時穿透勢壘的概率大增，導致晶體管失效。這兩個極限按照摩爾定律的線性外推都幾乎在20年左右時間到達。所以目前產業的發展需要極其重大的調整和改變。IBM在2021年發布了所謂2nm器件技術（實際量產可能還有6年），它的源和漏的間距實際上有12nm，工程上巧妙的創新和命名上的游戲無法避開實際的物理極限。

  另外還有很多當年失效的想法，也終于逐步要變成后摩爾定律時代的主流解決方案，比如上世紀80年代日本政府就資助3D的晶體管堆疊，當年AMD因為量產良率不佳而采用多個物理切割的硅片來提升性能的芯粒（chiplets）技術，英特爾為20GHz處理器（因為散熱問題解決不了）而推出的扇出封裝工藝等。這些因為當時的算力需求、制程能力、產業鏈成熟度、市場接受度等被擱置的項目和后來的一些創新（比如量子計算、非二進制、非馮諾依曼架構、人工智能和機器學習等），構成了后摩爾定律時代的解決方案框架。

  如今，產業中心逐步從硬件中心過渡到軟件中心，從通用計算中心過渡到專用計算中心。硬件產業的革新有更多的影響因子，不再是應用、軟件、算法、架構、器件、封裝相對獨立，而是互相交織，需要通盤考慮。

  美國半導體產業協會SIA（Semiconductor Industry Association）和主要的政府與企業的聯合機構SRC（Semiconductor Research Corp.），組織了全球主要集成電路相關的設備、材料、工藝制程和終端應用等企業，對后摩爾定律時代的核心研發方向做了一個系統的規劃，在2021年發布了下一個十年發展的綱領性報告。這個報告通過描述和支持政府和產業機構的戰略遠景，引導學術、政府和工業界在關鍵領域進行革命性合作，為最前沿頂尖科學研究員、大學教授和學生樹立明確的研究標桿，來聚焦信息處理、傳感、傳輸、存儲和安全，從而保障半導體和信息技術產業的健康持續發展。這個報告主要執行委員會的成員幾乎都是相關企業的技術領袖，但是每一個專題的具體技術問題闡述都有大量的研究機構和大學參與。在這個報告里，他們明確了五個大的領域需要革命性的創新：一是模擬信號的處理，包括傳感、功率、計算等；二是新型的存儲器件和儲存與計算的架構；三是未來的通信技術（從射頻到光電等）；四是更廣泛的計算安全需求；五是計算能量效率提升。整體上，這個報告描繪了在后摩爾定律時代，數據收集的增長遠大于存儲能力，存儲的數據量又遠大于通信的帶寬，所有海量的數據感知、存儲和通信還將面臨各種安全挑戰。此外，計算的低能量效率限制了產業的成長，亟須改變。

全力培育“非對稱性殺手锏”

  我們國家的集成電路是被“卡脖子”最嚴重的產業，造成這種狀況的主要原因是我們在市場、技術、人才、政策等很多方面缺乏積累。

  在市場方面，目前，我國實際消耗的集成電路占到全球集成電路產能的20%左右，全球67%左右的集成電路或多或少和中國有關系。以上數據說明，市場已經不再是主要的問題。

  在技術方面，我們國家知識產權積累較少，起點相對低，以前我們做不了通用計算是因為專利壁壘太高。但是在后摩爾定律時代，有很多變化正在發生。比如從通用到專用的轉化需要大量的工程畢業生和與市場結合的能力，這是我們的強項；再比如，開源的RISC-V指令集擺脫了很多歷史上的沉疴，為我國參與這個產業提供了特殊的機會。但是我們也要認識到，在技術發展的方向上仍有太多短視行為，很多企業因為只能做相對低端的市場就發表高端無用的言論，影響決策層的判斷。而實際上，臺積電2021年第一季度16nm以下工藝占據了他們6成的營收，接近中國大陸地區所有代工總和的10倍。目前很多專家強調細分領域的重要性，但是這些細分領域只占集成電路的1%左右，我們不能放棄另外的99%，否則還是會被“卡脖子”。

  在人才方面，目前依然存在很大問題。我國集成電路產業人才缺乏尖端技術前沿的經驗，以追隨為主，技術研發的長周期和高投入導致創新動力缺乏；研究院所的人才嚴重缺乏產業經驗，同時缺乏實際應用價值判斷力。美國推出的半導體產業十年計劃，主導的產業技術領袖一直活躍在技術前沿。因此，如何充分利用我國現有人才，如何培養未來人才，都需要業界進一步思考。

  在政策方面，我國對風險的承受能力不夠和對知識產權的保護不夠是目前最大的問題。在知識產權領域，國內的相關制度也仍有待加強，業內要達成共識：沒有知識產權保護，所有的創新價值都是零。

  后摩爾時代有太多想象空間和技術缺口，想從根本上改變“卡脖子”狀態，就要積極參與前沿科學的研究，要在某些新興重大領域占據優勢，并以此來進行交換，不能在所有的領域都靠跟隨。“要有非對稱性的殺手锏”，這是后摩爾定律時代產業發展的解決方案。