吴汉明院士对“后摩尔时代的芯片挑战和机遇”思考

1   摩尔定律已到尽头

摩尔定律是在1965 年由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出来的，他指出，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数量约每年增加1 倍，性能也将提升1 倍。

但是这个节奏做了10 年以后发现不行，因为赚来的钱不够支撑研发，因此1975 年修正为：每2 年把晶体管的密度增加1 倍。以这样的节奏，技术研发的资金可以从商业盈利中挣出来。这种每2 年将集成电路晶体管密度加1 倍的提法持续了将近50 年。

吴汉明院士读大学时，计算机叫8008（注：基于英特尔8008 微处理器），那时约有2 400 个晶体管，现在英特尔CPU 大概有10 亿以上的晶体管。所以直到现在，英特尔是在用每2 年翻一番的节奏推出CPU。

持续的摩尔定律带来了什么样的结果？ 20 世纪70年代，1 个晶体管大概1 美元（1 美元约为6.5 元人民币），现在1 美元可以买几百万个晶体管，晶体管的价格降到了百万分之一。现在的手机至少有2 亿以上的晶体管，一般是几百亿个晶体管。如果回到20 世纪70 年代，手机成本就是几百亿美元！因此，摩尔定律的技术延伸给我们的社会和经济带来的影响是当初不可想象的。

摩尔定律的发展支撑了通信技术，从1G、2G 直到现在的5G，整个通信技术的发展完全是基于集成电路技术的发展， 从130 nm 到当今的14 nm、7 nm、5 nm ……

同样，人工智能（AI）也是由于摩尔定律的支撑才能发展到今天。AI 计算机可模拟神经元特征，进行存算一体等计算，具有并行性、低功耗的特点，因此具有广阔的产业前景。

中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长 吴汉明

通过图1 可见，从20 世纪70 年代到2015 年之前，性能按照摩尔定律一代一代提升。但是到2015 年，其中4 条线已经无法继续提升了，包括从单核发展到上百个核。性能、功耗等几乎都到达了瓶颈，唯一的晶体管密度还是随着时间的延伸继续翻一番——还在遵循摩尔定律的节奏。但是摩尔定律有一个基本假设，技术往前走的同时，价格不能变，而实际上在2014 年/28 nm 时，每100 万个晶体管约2.7 美分，当走到20 nm 制程时，100 万个晶体管就需要2.9 美分，这表明单个晶体管的价格在上涨，实际上违背了初衷——晶体管的价格不能往上升。

图1 后摩尔时代的特征

中国科学家许居衍院士在30 年前（注：1992 年的中国电子学会第五次学术年会文集）就预测在2014—2017 年，摩尔定律可能走到尽头，准确预测到在2014年/28 nm 时摩尔定律就走不动了。但是许院士认为硅基的生命还是很长的，今后还有很长的时间在硅上延伸。

2   集成电路产业离不开全球化

集成电路产业面临的主要挑战是产业链太长、太宽。集成电路企业、公司、研究机构很多，主要是材料、设计、制造、装备类。

既然这个产业链很宽很长，必然依赖于全球的流通。正是因为这种流通，使集成电路才能沿着摩尔定律发展到当今欣欣向荣的状态。

既然是全球化产业，产业链的总体分布主要分成四大类：EDA/IP、设计（逻辑、分立、存储）、装备和材料、制造和封测，构成了集成电路产业链（如图2）。

全球芯片制造的主要装备有：光刻、刻蚀、CVD、CMP、检测等，这些装备各个国家所占的比例如图3所示。

3   制造工艺的三大挑战

1）基础挑战：精密图形。以光刻机为主要装备的工艺现在主要是用波长193 nm 的光源曝光出二三十纳米的图形。根据光学基本知识，当波长远大于物理尺寸时，物理尺寸的投影会非常模糊，但是光刻工程师就做到了，现在7 nm 也可以用193 nm 波长的曝光工艺。

2）核心挑战：新材料。21 世纪以来有64 种新材料（铜、锗、镍、高K 等）陆续进入集成电路芯片制造，支撑摩尔定律的推进。图4 的5 组数据就是从（130~30）nm五个技术代，蓝色部分表示只是尺寸的缩小，性能上没有提升，这说明如果仅靠技术向前走，没有新材料也是没有用的——虽然可以做得很小，但是根本性能上不来。

性能提升主要靠新材料，像硅、铜等使32 nm 的性能得到70% 的提升。实际上，这一阶段的技术提升完全是靠新材料支撑。所以在集成电路芯片制造中，主旋律就是新材料、新工艺。每种材料需要做数千次工艺实验。新材料支撑成套工艺的研发。

3）终级挑战：提升良率。因为工艺流程中积累大量统计误差，假设每步良率99.9%，最后导致千步良率37%。所以这是所有芯片制造企业最头疼、最艰难的挑战。不管先进工艺做得多好，良率上不来，这个工艺就不能算成功，只有达到一定良率才能说是成熟的成套工艺。

图3 全球芯片制造装备

4   后摩尔时代的芯片技术趋势

在后摩尔时代发展中，产业主要有3 个驱动力：高性能计算、移动计算、自主感知，例如物联网就需要这3 方面的驱动。

这引导了8 项技术研发：逻辑技术、基本规则缩放、性能- 功率- 尺寸（PPA）缩放、3D 集成、存储技术、DRAM 技术、闪存技术、新兴非易失性内存技术。

目标主要是4 个：PPAC（ 性能、功率、面积、成本），它们必须在2~3 年内分别提升15%~30%。①性能：电压不变，工作频率增加15% 以上；②功率：性能不变，功率减少30% 以上；③面积：减少30% 的芯片面积；④成本：晶圆成本增加＜ 30%，使得缩放裸片成本减少15%。

后摩尔时代，性能的发展速度慢下来了。据AMAT- 兴业证券经济与金融研究院研报，1986—2002 年，每年的性能约提升52%；2002—2010 年，每年提升23%；2010—2014 年，每年提升12%；最近可以看到性能提升约3.5%。这意味着给了我们追赶者机会。摩尔定律走到尽头叫后摩尔时代，对于追赶者是个机会。

通过各种各样的结构改变做成新型器件，使技术能够沿着摩尔定律继续往前走，但是瓶颈是功耗和速度呈非常矛盾的比例关系——频率的三次方是功耗，功耗会以这样的速度上升。新兴技术包括TFET（隧穿）等是延续摩尔定律的主要方向（如表1）。“类脑模式”也很热门，是有很好产业前景的技术方向。相对基础一点、遥远一点的包括通过改变状态实现逻辑运行的新型范式，自旋电子的方向以及量子计算的新模式可能是未来新型集成电路的发展方向，但是这个方向是非常前沿的，最近5~10 年基本看不到产业化。

统计2020 年的集成电路制程，可以看到10 nm 节点以下的先进产能仅占17%，而83% 的市场是相对成熟的技术节点（图5），所以这83% 的创新空间应该引起高度重视——尽管前沿技术要高度重视，但是成熟工艺上的发展空间也很大。

图4 新材料的带动作用

既然先进工艺很难走下去，用户及芯片设计公司最关心的应该是系统性能。很高兴看到国内有一家新创立的公司——芯盟科技，通过异构集成，用40 nm 的工艺实现了可以和16 nm 相媲美的性能。这种通过比较成熟的工艺做出先进的系统，在后摩尔时代是非常好的方向。

图5 10 nm节点以下先进产能占17%

5   树立以产业技术为导向的科技文化

吴汉明院士非常认可树立产业技术导向的科技文化。

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。如果定课题的时候定的研究方向就是产业技术，其实不应该存在转化问题。转化是一个加生饭，因为本来题目方向定不好，成果做完了才要转化到企业，这个动作是很奇怪的。例如英特尔或台积电根本没有研发线，就是在线上做研发，成果就地转化，没有转来转去的事。转来转去说明当时做的事情没想明白。当然做基础研究可以这样做，做集成电路还是需要产业引领的科技文化。

2）通常实验室做的是点的突破，一俊遮百丑，而产业技术不能有明显短板。产业需要的是面的突破、全方位的突破，性能做好了只是一个步骤，产业化包括良率、成本等综合因素。

在集成电路方面，吴汉明院士非常认可、提倡产业引领的科技文化，同时商业成功是检验技术创新的唯一标准——如果做一个技术不能商业化，价值不会那么高。

3）技术的3 阶段、企业与科研院所/ 高校的关系技术研发分为3 个阶段：首先是前沿技术，通常由高校、研究所做的前沿技术；然后发展到产前技术；最后实现产业技术（如图6）。

3 个节点有机联合起来，前沿技术和产前技术基本上是供给侧的创新驱动的研究模式，高校和科研院所是主力部队；从产前技术到产业技术基本上是企业引领的市场需求的工作，所以在供给侧和需求侧重合的地方就是产前技术。

在这个指导下，浙江大学正在建设12 英寸（1 英寸约为2.54 cm）成套工艺研发平台，目的有3 个：①希望把设计和制造创新一体化，同时也是针对后摩尔时代碎片化的市场以小批量、多样化在实验平台上进行很多创新、验证的机会；②在学生培养方面，需要做新工科的学院建设，让学生有更多的产教融合的实验场景；

③希望突破一些产业链发展瓶颈，包括新材料、新装备、新零部件、新运营模式等，在这个实验线上可以进行尝试。

图6 技术三阶段、企业与科研院所/高校的关系

4   小结

1）全球化是不可替代的途径，需要企业国际化、外企本土化。集成电路的发展一定是全球化的，某些国家说单边主义发展其实是没有前途的。

2）芯片制造三大核心挑战：图形转移、新材料和工艺、良率提升。

3）后摩尔时代的产业技术发展趋缓，创新空间和追赶机会大；

4）树立产业技术导向的科技文化，技术成功全靠市场鉴定。

（本文来源于威廉希尔 官网app 杂志2021年7月期）