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王阳元院士论扎实推进中国集成电路产业发展
  • 《科技导报》2021年第3期发表的王阳元院士论述中国集成电路产业的创新发展的文章,让我们看到了数据中心行业跨越式发展的曙光,本刊摘编了原文的部分内容。
  • 王阳元,微纳电子学家,中国科学院院士。现任北京大学教授,北京大学微纳电子学研究院首席科学家,IEEELifeFellow,IEEFellow,工业和信息化部电子科学技术委员会顾问,国家集成电路产业发展咨询委员会副主任。研究方向为微纳电子学的新器件、新工艺技术和新结构电路。
      
      《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二三五年远景目标的建议》:“瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。”其中所列八大领域均与集成电路的研发、生产以及应用密切相关。
      
      1 集成电路产业的规律性研究
      
      (1)集成电路产业具有战略性和市场性的特征
      
      当今世界正处于“百年未有之大变局”时代,在重塑信息时代的世界格局中,集成电路扮演了举足轻重的角色。关键的、核心的集成电路可以成就一个新兴企业乃至一个产业,也可以让这个企业或产业的前进脚步突然停止。华为的“麒麟”和相关5G产品与美国的较量即是一例。
      
      ①集成电路产业战略性在于市场。集成电路的生态链越深(即电子信息产品对其他产业的影响深度,系统软件和应用软件的开发深度)、越广(即涉及生产与生活的广度,使用信息产品人群的广度),其战略性的表现也愈加凸显。
      
      ②集成电路的市场性源于两个方面,一是人们对信息产品不断增长的需求,二是其生产规模。一条300mm晶片生产线的集成电路年产量为109~1010数量级,2019年,中国共生产集成电路2.018×1011个,进口4.451×1011个。如果没有庞大的市场需求和市场消化,1010数量级的集成电路产品无法维持集成电路生产线的正常运转。
      
      集成电路生产链表现为开放的特征,即上千种材料和上百台套的设备只能实现部分自主供给,其余部分需要通过市场交换完成。在市场交换的过程中,任何一种材料、一种设备都可能成为制约竞争者的手段,如日本的氟聚酰亚胺、氟化氢、光刻胶“断供”韩国,荷兰阿斯麦尔公司(ASML)的极紫外(EUV)曝光机不能获得出口中国的许可,台积电的工艺不能为华为代工等。也就是说,集成电路生产链中也存在着无数具有战略性特征的环节,而集成电路产品又是无数信息产品中战略性特征的核心(图1)。
      
      对于“要不来”、“买不来”、“讨不来”的关键核心技术,必须凭借举国体制的优势来攻坚克难,努力培育战略科技力量和战略储备能力。对于集成电路生产线所需的一般性材料和设备,我们要按照习近平总书记要求更加主动地融入全球创新网络,在开放合作中提升自身科技创新能力。
      
      (2)集成电路投资具有密集性和持续性的特征
      
      集成电路产业投资的特点是投资巨大、投资连续和长期回报。因此,集成电路生产线建设一定不能遍地开花。以Intel、三星和台积电近年来的资本支出为例,2017年起,3个企业每年资本支出均超过100亿美元,其中三星电子的资本支出更是超过200亿美元,相当于组建一个包括航母(含舰载机)、巡洋舰、驱逐舰与核潜艇组成的中型航母战斗群的造价(150亿~200亿美元)。这种高强度投资导致了行业日趋集中于少数企业,形成了“大者恒大、强者恒强”的局面。投资要有持续增长的能力。集成电路产业的投资不是“一锤子买卖”。
      
      (3)无所不在的应用市场
      
      由于集成电路可以集信息获取、存储、处理、传输和执行功能于一身,其应用范围已经
    渗透到当今社会的每一个角落,正在迅速地改变着人类的生产和生活方式。北斗卫星可以精确地授时和导航,高铁的建成迅速缩短城际间的距离,从青海发射的导弹经过近3000km的飞行可以准确击中位于南海的靶标,数字货币替代现金已经在中国成为主要的支付手段,手机健康码成为疫情期间出入公共场所的必要条件。不断增长的系统需求是集成电路市场持续延展的强劲动力。
      
      (4)集成电路技术具有革命性和规律性的特征
      
      集成电路市场的不断扩大源于集成技术革命性的进步。当今,“电子”成为了信息存储、处理和传输的主体,集成电路则是承载和控制“电子”运行的主要载体,成为了信息技术革命的主力军(表1)。
      
      电子管是从“机械”到“电子”革命的“转戾点”,晶体管则完成了“电子在真空中运动”到“电子在固体中运动”的革命。60余年来,每一项具有革命性技术的发明都成为了集成电路产业发展的驱动器。集成电路因其广泛的应用,使得许多领域产生了革命性变化。
      
      ①2020年11月20日,亚太经合组织(APEC)领导人非正式会议在云端以视频的方式进行。
      
      ②2020年8月26日,一枚东风-26B弹道导弹与一枚东风-21D弹道导弹分别从青海、浙江2个不同方向射向南海,并精准命中了移动靶标。
      
      ③同等亮度的LED灯比白炽灯节约了80%以上的能耗。如果把白炽灯全部替换为节能灯,可节用电480亿kWh,相当于减少4800万t二氧化碳的排放。
      
      ④MP3使得唱片业、磁带式录音机退出了历史舞台。
      
      ⑤数字摄影、摄像(数码相机,手机)颠覆了胶卷产业。
      
      简言之,集成电路的应用极大丰富了信息获取的多样性(听觉、视觉、触觉)、信息存储的综合性(文字、数据、图像、音频、视频)、信息处理的复杂性(大数据、云计算、人工智能)和信息传输的时效性与广域性,开创了全新、全面革命的信息时代。
      
      (5)集成电路10年一代的技术进步(见表2)
      
      2 中国集成电路产业的现状、问题和分析
      
      20世纪60年代中期,中国集成电路产业开始萌芽。1975年,第1块以硅栅N沟道MOS集成电路技术为主体的1024位MOS动态随机存取存储器在北京大学研制成功。
      
      从2009年起,中国集成电路产业步入高速发展阶段。2009-2019年,中国集成电路产业平均每年销售额增长645.3亿元,是上一个10年平均增长额的6.3倍。这10年间,中国集成电路产业销售额的年平均增长率为21.04%,是同期世界半导体市场年平均增长率6.18%的3.4倍。
      
      自2016年美国对中国采取了全面的打压和围剿政策,包括在贸易中高筑关税壁垒,在系统层面阻挠中国5G产品进入美国和其盟友的市场,在应用层面要求下架抖音(TikTok)和微信(WeChat),在制造层面不允许台积电等代工企业为华为麒麟芯片加工并将中芯国际列入黑名单,在产品层面断供高端集成电路(处理器、存储器),在设备方面利用“瓦森纳协议”禁ASML公司向中国出口EUV设备等。
      
      美国对中国集成电路产业的打压握有两个“杀手锏”:一是EDA软件,二是材料和设备(特别是EUV曝光机)。对付这两个“杀手锏”,我们唯有正面迎战,才能撕开封锁的“铁幕”,正如毛主席所言:“以斗争求和平则和平存,以妥协求和平则和平亡。”
      
      1984年,中法两国时任总理签署了协议,中国采购法国的程控交换机,法国提供集成电路设计工具EDA源程序,而美国借助“巴黎统筹委员会”要求禁止法国出口EDA工具。在这种形势下,中国决定发挥举国体制优势进行攻关。王阳元院士临危受命担任全国集成电路计算机辅助设计(ICCAD)专家委员会主任,以“不破楼兰终不还”的信念、“咬定青山不放松”的毅力,和全国118名专家学者一起开发出了中国第1部具有完全自主知识产权的、功能齐全的大型ICCAD系统(“熊猫系统”)。就在“熊猫系统”获得国家科技进步一等奖不久,美国EDA三巨头——Cadence、Synopsys、Mentor全都迫不及待地进入了中国市场。
      
      3 创新驱动发展
      
      (1)“摩尔时代”向“后摩尔时代”转变
      
      一般来说,人们将16nm非经典CMOS作为基础器件以后的时代称为“后摩尔时代”。随着加工尺寸的不断缩小,微电子学科正在转向纳电子学科,“摩尔时代”正在转向“后摩尔时代”,沿着延续摩尔、拓展摩尔、超越摩尔与丰富摩尔的路径不断向前发展(见图2)。
      
      ①延续摩尔(More Moore)
      
      集成电路加工的特征尺寸以及芯片上集成的晶体管数将继续沿着摩尔预测的规律发展。其实,最早的集成电路特征尺寸为10μm,随着加工技术的进步,集成电路的特征尺寸呈规律缩小,尤其在0.8μm以后,该规律呈现为:相邻两代技术节点的特征尺寸呈1:1/的关系。特征尺寸继续缩小主要表现在系统芯片SoC(systemonchip)上。特征尺寸每缩小至上一节点的70%,芯片性能可以提高15%,面积减少50%,功耗降低40%,成本减少35%。
      
      ②拓展摩尔(Morethan Moore)
      
      拓展摩尔的主要表现形式是发展集成微纳系统(如MEMS,NEMS)和系统封装(SysteminPackage,SiP),即将不同工艺、不同功能的器件(模拟、射频、高压、功率、传动、驱动、生物等)封装在一个集成电路中,形成多功能集成系统。
      
      ③超越摩尔(Beyond Moore)主要是各种新器件的研发,包括量子器件、单电子器件、自旋器件、磁通量器件、石墨烯器件、碳纳米管、碳纳米线等。
      
      ④丰富摩尔(MuchMoore)建立新形态的信息科学技术及产业。
      
      (2)增强原始创新能力
      
      一部集成电路发展史就是一部原始创新的发明史。在材料、器件结构和专用设备的创新中,正在研发、并期待进入量产阶段的关键技术有:专用材料;器件结构;专用设备。
      
      微电子研究中心(IMEC)在28nm技术节点上,采用了高K金属栅(HKMG)工艺;在16nm/14nm节点之后,器件结构开始转向3D的FinFET,从7nm/5nm节点开始,钴代替铜成为互连的新型材料。隧道效应晶体管正在中芯国际进行量产试验。清华大学的可重构设计是芯片架构设计的原始创新,已开始在Intel的产品开发中得到应用。
      
      从4nm/3nm节点开始,采用“半镶嵌”(semidamascene)技术的钌将成为主流互连材料,EUV的数值孔径将从0.33提升到0.55,纳米片(nanosheet)结构的产品开始进入批量生产流程。
      
      在2nm技术节点上,通过3D堆叠形成的垂直场效应晶体管(VFET)、互补场效应晶体管(CFET)结构将大大减小标准单元的面积,以这种结构设计的集成电路产品开始量产。而且,作
      
      为延续摩尔定律的第一代技术为光刻驱动,第二代技术中加入了设计与工艺协同优化(DTCO)的内容,第三代技术则再加入系统与工艺协同优化(STCO)的举措。
      
      (3)加强基础技术研究
      
      ①根据集成电路从研发到批量生产10年跨度的规律,对关键的基础技术研究要提前10年进行部署。
      
      ②基础研究要实行产、教、研紧密结合。以FinFET为例,由于Intel成功应用,从而驱动了全球集成电路技术由2D登上了3D的阶梯。
      
      ③加强低功耗器件研究。以提高系统的性能/功耗比为切入点,降低功耗成为重要指标。
      
      ④延展基础研究的广度,争取在模拟电路、数模混合电路、射频电路、功率电路、微纳机电系统等领域取得技术和市场的领先地位。
      
      ⑤加强基础研究的国际合作,融入国际化的集成电路产业链中。
      
      4 迈向产业强国
      
      (1)预测到2035年,发展目标
      
      ①按WSTS的统计标准,中国集成电路产业的销售额占世界市场的比例由5%提高到30%,跻身集成电路产业强国的行列。
      
      ②国民经济领域需求的芯片自给率提高到80%。
      
      ③能够独立自主地设计和生产国家安全及国防建设所需的重要与关键集成电路产品,自给率达到100%。
      
      ④拥有大量的微电子技术专利、自主知识产权产品标准,建成具有中国特色的集成电路研发体系,为本土企业提供知识产权保护。
      
      ⑤以关键设备和主要材料为标志的集成电路支撑行业能够基本满足产业发展需要,集成电路产业专用设备不再受制于人。
      
      ⑥集成电路大生产技术水平与国际先进水平同步,实现2~1nm技术节点工业化大生产技术突破。
      
      ⑦在基础研究领域,原始创新能不断地涌现,在新器件结构、新材料、新工艺研发和生产的某些领域引领世界发展潮流。
      
      (2)对实施举措的建议
      
      ①以10倍于当今的投资强度,持续加大对集成电路产业的投资力度,坚决杜绝低水平重复建设。
      
      ②以性能功耗比作为标尺,以3D集成为发展方向,沉下心来进行器件结构、材料、EDA算法等基础研究工作,使其能够产生革命性的创新成果。
      
      ③以举国之力攻克最重要的材料(硅圆片、电子气体)、设备(曝光机)难关,努力提高国产EDA软件的系统集成水平,扩大其在国内外市场的占有率。
      
      ④建设1~2家IDM型企业,缩短设计与制造间的流程,缩短产品与系统应用的距离。
      
      ⑤要融入国际产业链和生态链,构建国内国际双循环的发展格局。
      
      ⑥加大贯彻执行《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》的力度。尤其要对从事集成电路产业和研发等相关工作的人才所得税提供优惠政策。
      
      ⑦结合集成电路科学与工程学科的建立,将集成电路专业人才的培养规模扩大到当前培养人数的10倍。
      
      (3)实现强国梦想在人类发展的历史上,国家与国家之间的竞争从未终止,无论是表现为和平方式的巧取,还是表现为战争方式的豪夺。
      
      1840年鸦片战争以后,在中国上演了无数被外夷凌辱和欺侮的悲剧。进入21世纪后,中国的经济飞速发展,中华民族的复兴已成为当今中国发展的主旋律。相信历经200年的马鞍型曲折(见图4),在驾驭信息社会的浪潮中,一定能够在中华民族的复兴之路上实现强国的梦想,中华民族的才智将展现更加灿烂的辉煌。
      
      本文摘编自《科技导报》2021年第3期,原文标题为《掌握规律,创新驱动,扎实推进中国集成电路产业发展》。

      
      编辑:Harris
      

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