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魏少军院士:破解半导体微缩技术瓶颈的两大路径

2022-09-06 来源:环球体育app最新版下载 作者:环球体育网站

  ·“中国集成电路产品的发展有自身特点,以中低端为主,高端产品不是太多,但也不是没有。”在魏少军看来,我们已经有了相当可观的产业规模,也有了完整的产品体系,下一步的发展是从追赶到并行,并在部分领域逐渐实现领跑。

  ·除了新器件、新材料、新工艺持续往前发展,魏少军认为,未来集成电路发展有两条新路径:一是芯片架构的创新,另一条路是采用微纳系统集成的方式使得产品能够异军突起。

  欧亚科学院院士、清华大学和北京大学双聘教授魏少军在上海集成电路大师讲堂演讲。

  “中国集成电路设计业的发展是不容忽视的一大亮点”。8月30日,2022“海聚英才”上海集成电路大师讲堂第二期“设计篇”在上海集成电路设计产业园开讲。欧亚科学院院士、清华大学和北京大学双聘教授魏少军在演讲中回溯了集成电路设计业发展的历史,并介绍了当下中国集成电路设计业发展的最新进展与挑战。在他看来,破解半导体微缩瓶颈的方法除了新器件、新材料、新工艺持续往前发展还有芯片架构创新以及采用微纳系统集成两种新路径。

  上海集成电路“大师讲堂”系列活动(第二期)由上海市人才办、市经济信息化委、市发展改革委、市科委等部门联合主办,旨在汇聚英才、吸引资源共同打造世界级集成电路产业集群。

  “我经常会被人问到,你们从事集成电路的人,一会说半导体,一会说微电子,一会说集成电路,这三个词到底是不是一回事?”

  魏少军以三个名词的科普开始了自己的演讲。他解释,这三个词并不是一回事。半导体讲的是一种材料,集成电路是构筑在半导体材料上的一种器件,微电子则是在半导体材料上构建集成电路的方法和工艺。虽然各有不同,但大家平时很少严格区分,原因在于很难把三者绝对割裂。

  上世纪50年代,科学家致力于发展的是半导体,有了半导体专业;到了80年代,如何在半导体上构建集成电路更受关注。由于对工艺、方法、技术了解不多,因此这一时期集中精力掌握微电子相关知识,于是成立了微电子所、微电子学院、微电子专业;2020年以后,“我们看到我们最终实际上要实现的是集成电路的产品。我们对半导体材料和微电子技术的了解,目标是要构建集成电路。”因此,2020年12月底,集成电路正式被设置为一级学科。一批高校也相继成立集成电路学院。

  “从半导体、微电子到集成电路三部曲,最终我们还是把它聚焦到集成电路产品上。”魏少军表示,集成电路设计永远站在产品开发的第一线。所谓集成电路设计,从技术角度看,是指从应用出发,抽取出相应的设计规格,设计工程师利用各种设计工具完成电路设计,再交由集成电路制造厂制造出集成电路产品。集成电路设计的另一道含义是指商业模式。在EDA、IP、设计服务、装备材料等支撑下,依托集成电路制造、封测,最终实现集成电路产品服务于客户。

  追溯集成电路设计业的快速发展,其得益于产业分工的细化,尤其是与其相辅相成的代工企业的崛起。

  1984年,全球首家Fabless(无晶圆IC公司,主要是设计公司)企业赛灵思成立,开创了芯片设计业的先河。但芯片设计的快速崛起始于1987年台积电成立。

  “设计公司的产品需要找工厂加工,但之前都是一些非专业的加工,碰到了很多麻烦,产品有了问题后两者会扯皮,到底是制造的问题,还是设计的问题。台积电出台的标准化让所有设计公司有章可循,只要按照它的标准来做设计保证能成功,不成功就赔钱。”

  由于晶圆制造成本快速飙升,而Fabless资产轻、初始投资规模小、对市场需求反应快速、转型相对灵活等特点使得其备受青睐。到1990年前后,高通、英伟达、联发科等大量Fabless公司成立,Fabless迅速崛起。数据显示,1994年-2010年,集成电路设计业处于井喷期,收入的年均复合增长率达21.66%,同期IDM(集芯片设计、制造、封测等多个环节于一体)的年均复合增长率为4.7%。2010年-2021年,集成电路设计业收入的年均复合增长率降至10%,但仍高于同期IDM的4.5%。2010后,Fabless进入稳定发展期,2021年占比升至31.6%。

  魏少军表示,这表明设计+代工的商业模式展示了非常强的生命力。对于代工厂而言,设计公司生产订单的填充使得代工厂具备规模效应,摊薄单位成本,进而能获取更多设计公司的生产订单。对于设计公司而言,代工厂的生产成本降低,也就降低了设计公司的进入门槛,进而催生了更多设计公司。

  就中国而言,近年来芯片设计业的发展之快有目共睹。据介绍,2021年,中国芯片设计企业已超2800家,全行业销售预计为4586.9亿元,同比增长20.1%。2021年中国已有400余家设计企业年销售额超过1亿元,两三家企业超过100亿元,相当一批企业超过了10亿元。

  从集成电路设计的区域销售情况来看,长江三角洲地区占据半壁江山,京津环渤海地区、珠江三角洲地区紧随其后;去年所有销售规模进入前10的城市设计业销售增速都超过了60%,其中增速最高的城市是济南,增速达到了193.9%。

  从2021年的发展来看,消费类电子占到较大分量,通信占比略微下降。但通信在集成电路发展中一直占有非常重要的历史地位,魏少军认为随着关键技术突破以后,中国在通信、计算机电子方面的发展指日可待。

  “中国集成电路产品的发展有自身特点,以中低端为主,高端产品不是太多,但也不是没有。”在魏少军看来,我们已经有了相当可观的产业规模,也有了完整的产品体系,下一步的发展是从追赶到并行,并在部分领域逐渐实现领跑。

  魏少军表示,集成电路设计的最终目标是集成电路产品,与用户的关系非常紧密,因此要紧紧与客户联系,理解他们的应用,了解他们的需求,以创新为动力驱动发展,“中国的应用如果要走到世界前列,芯片设计人员必须站在时代潮头,勇当弄潮儿,才能引领产品发展。”

  魏少军介绍,在尺寸微缩技术下,单个芯片上可以集成的晶体管数量是天文数字,比如5纳米工艺下,一个平方毫米上可以集成大约1.1支晶体管,系统复杂度极其高。

  但一方面,集成电路集成度在不断提升,应用领域在拓展;另一方面,今天的半导体微缩技术已经逼近物理极限,未来必然会受到限制。此外,芯片设计还面临速度、功耗、灵活性、软硬件协调配合应用的困境。

  除了新器件、新材料、新工艺持续往前发展,魏少军认为,未来集成电路发展有两条新路径:一是芯片架构的创新,另一条路是采用微纳系统集成的方式使得产品能够异军突起。

  其中,应用定义软件、软件定义芯片,带来了全新计算模式,是架构上的创新。所谓软件定义芯片,是将软件划分成可以在基元(即多功能的计算单元)阵列上运行的子任务,按照任务依赖关系将子任务逐块映射到基元阵列上运算。这类基元阵列架构可以通过编程的方式改变芯片连接和芯片功能。

  至于系统集成,魏少军解释说,2.5D封装是若干个芯片并排排列在中介层上,通过中介层上的硅穿孔、再分布层、微凸点等,实现芯片与芯片,芯片与封装基板间更高密度的互联;而3D封装是将各芯片直接堆叠,可以把不同工艺设计的芯片集成在一起。

  魏少军表示,利用架构创新和系统集成创新两种新路径研发的超高性能近存计算芯片,即便使用成熟制造工艺,仍可实现优于主流先进工艺CPU/GPU 1-2个数量级的能量效率,目前已经完成相应技术验证。