8 月 18 日報(bào)道，今日，2022 世界半導(dǎo)體大會暨南京國際半導(dǎo)體博覽會在南京開幕，中科院院士、深圳大學(xué)校長毛軍發(fā)在開幕式暨高端論壇上發(fā)表主題演講。
在簡要回顧集成電路的定義、發(fā)展簡史及我國落后原因后，毛軍發(fā)院士著重分享了集成系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)，以及應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的 4 個(gè)關(guān)鍵科技問題。
毛軍發(fā)院士認(rèn)為：“過去 60 年是集成電路的時(shí)代，未來 60 年是集成系統(tǒng)的時(shí)代?！彼岬诫S著摩爾定律面臨極限挑戰(zhàn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)臨近，半導(dǎo)體技術(shù)將從電路集成走向系統(tǒng)集成的發(fā)展新路徑，這為我國變道超車發(fā)展提供了歷史機(jī)遇。
一、EDA、裝備、器件與電路落后成因
集成電路（IC）是將晶體管、電阻、電容和電感等元器件及互連線制作（集成）在一小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，形成具有預(yù)期功能的電路。
所有元器件在結(jié)構(gòu)上組成一個(gè)整體，使電路向著高密度、大規(guī)模、小型化、低功耗、低成本和高可靠性方向發(fā)展。
集成電路是一個(gè)國家綜合科技實(shí)力乃至綜合國力的反映，是“有錢也買不到”的被“卡脖子”的關(guān)鍵高科技賽道，中國每年都花費(fèi)巨資進(jìn)口集成電路，高端芯片基本依賴進(jìn)口。
回溯我國集成電路落后的原因，既有先進(jìn)技術(shù)受西方封鎖，也有此前曾有一段發(fā)展階段瞻前顧后，產(chǎn)學(xué)研脫節(jié)。
具體到細(xì)分領(lǐng)域，EDA 落后的主要原因是研發(fā)算法的較多，但很零散，沒有規(guī)劃、集成；大型軟件工程能力較弱，經(jīng)驗(yàn)較少，用戶不愿意用國產(chǎn)軟件工具，惡性循環(huán)。
半導(dǎo)體裝備落后則主要是受整體能力和市場環(huán)境等多方面因素影響。器件與電路落后的原因包括材料落后，工藝的精細(xì)度、穩(wěn)定性不足，缺工匠精神和工藝大師。
現(xiàn)階段，我國集成電路急需大批的高端人才。
二、“未來 60 年是集成系統(tǒng)的時(shí)代”
當(dāng)前集成電路行業(yè)的發(fā)展方向包括延續(xù)摩爾定律（More Moore）和繞道摩爾定律（More than Moore），前者面臨物理原理極限、技術(shù)手段極限、經(jīng)濟(jì)成本極限等挑戰(zhàn)，后者的主流趨勢有 chiplet、異質(zhì)異構(gòu)、集成系統(tǒng)等。
毛軍發(fā)院士判斷，過去 60 年是集成電路（IC）的時(shí)代，而未來 60 年是集成系統(tǒng)（IS）的時(shí)代。
他談道，集成電路（芯片）只是手段，微電子系統(tǒng)才是目的。集成系統(tǒng)從系統(tǒng)角度進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)制作，將各種芯片、傳感器、元器件、天線、互連線等制作集成在一個(gè)基板上，形成具有預(yù)期功能的系統(tǒng)，所有芯片和元器件在結(jié)構(gòu)上組成一個(gè)整體，使系統(tǒng)高密度、小型化、強(qiáng)功能、低功耗、低成本、高可靠、易設(shè)計(jì)、易制作。
這種思路，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率和綜合性能，減少系統(tǒng)的成本，增加其可靠性，并降低對芯片設(shè)計(jì)以及設(shè)備的要求。
實(shí)現(xiàn)從集成電路到集成系統(tǒng)的跨越有三點(diǎn)意義，是復(fù)雜微系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展的新途徑、后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展的新方向，也是半導(dǎo)體技術(shù)變道超車的發(fā)展新機(jī)遇。
小芯片或晶粒（chiplet）技術(shù)就是一種特殊的集成系統(tǒng)概念，它將單一先進(jìn)工藝的大芯片分解成多個(gè)特征模塊，每個(gè)模塊（小芯片）用各自最適合的工藝實(shí)現(xiàn)。小芯片技術(shù)與 SoC 逆向思維：SoC 將半導(dǎo)體 IP 平面集成在一個(gè)芯片里，SoIC 則是將多個(gè) chiplet 以 3D 堆疊集成。
當(dāng)前集成電路前道設(shè)計(jì)加工與后道封裝逐步收斂融合。封裝集成技術(shù)的重心正慢慢從傳統(tǒng)后端封裝移到前端半導(dǎo)體代工。
中國臺灣晶圓代工龍頭企業(yè)臺積電的 3DFabric 平臺的 SoIC 采用最先進(jìn)封裝互連技術(shù) Hybrid Bonding，堆疊芯片間互連間距可以小到亞微米。目前臺積電已實(shí)現(xiàn)用 3DFabric 完成 12 層堆疊 SoIC。
如果臺積電助推的 3DFabric，特別是 SoIC，成為下一代芯片系統(tǒng)的主流技術(shù)，那么臺積電將在半導(dǎo)體行業(yè)更加強(qiáng)勢，而中國大陸原本代工較弱、封裝較強(qiáng)的局面將變成代工和封裝都落后。
另一個(gè)集成系統(tǒng)的例子是封裝中天線（AiP）技術(shù)。AiP 是指包含無線芯片的封裝結(jié)構(gòu)中（上）實(shí)現(xiàn)的天線，相比于普通分立天線，AIP 具有更好的系統(tǒng)性能、更小的 PCB 面積、更低的成本，以及更短的研發(fā)周期。
第三個(gè)例子是多功能無源元件技術(shù)。電子系統(tǒng)中包含大量的無源元件，不同功能元件、天線級聯(lián)需大量轉(zhuǎn)接，引入了額外的損耗與體積；將多種元件結(jié)合為協(xié)同設(shè)計(jì)的多功能元件，則能顯著減少系統(tǒng)所需元件和轉(zhuǎn)接個(gè)數(shù)，降低插損，實(shí)現(xiàn)小型化。
三、集成系統(tǒng)面臨 4 個(gè)關(guān)鍵科技問題
半導(dǎo)體異質(zhì)集成技術(shù)是集成系統(tǒng)的最有力技術(shù)手段，能突破單一工藝的功能與性能極限，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的復(fù)雜性能、優(yōu)異的綜合性能。
它將不同工藝節(jié)點(diǎn)的化合物半導(dǎo)體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成度器件或芯片，與無源元件或天線，通過異質(zhì)鍵合或外延生長等方式集成而實(shí)現(xiàn)集成電路或系統(tǒng)的技術(shù)。
在毛軍發(fā)院士看來，集成系統(tǒng)正面臨 4 個(gè)關(guān)鍵科技問題。
首先是集成系統(tǒng)體系架構(gòu)，包括界定集成系統(tǒng)的功能與性能，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解；芯片及各類元器件種類的確定，集成工藝選擇；集成系統(tǒng)的布局，互連方式與標(biāo)準(zhǔn)。
第二是自動(dòng)化智能化協(xié)同設(shè)計(jì)，既包括電磁-熱-應(yīng)力多物理協(xié)同設(shè)計(jì)，有源 / 無源電路 / 天線及數(shù)字、模擬、射頻電路的多功能協(xié)同設(shè)計(jì)，也包括 IP、IPD、PDK、chiplet 等復(fù)用。
第三是異質(zhì)界面生成與工藝量化調(diào)控機(jī)理。集成系統(tǒng)工藝參數(shù)調(diào)整受制于電、熱、應(yīng)力等多物理場特性。因晶格、膨脹系數(shù)差異，需建立異質(zhì)界面動(dòng)力學(xué)，認(rèn)識擴(kuò)散、成核、粘合機(jī)理，通過界面調(diào)控融合，實(shí)現(xiàn)高可靠異質(zhì)集成。
第四是無源元件、天線小型化，這對整個(gè)射頻集成系統(tǒng)至關(guān)重要。無源元件最多可占射頻電子系統(tǒng)元件總數(shù)的 90%，系統(tǒng)總面積的 80%，面積、工藝與芯片差異大。由于射頻損耗、電磁兼容與熱問題，給小型化與性能提高帶來挑戰(zhàn)，需突破傳統(tǒng)思路，提出新的工作機(jī)理和設(shè)計(jì)理論。
結(jié)語：國內(nèi)外均在加緊集成系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)攻關(guān)
毛軍發(fā)院士分享說，目前集成系統(tǒng)的集成度、工作速度正不斷提高，同時(shí)面臨多物理調(diào)控、多性能協(xié)同、多材質(zhì)融合這三個(gè)主要挑戰(zhàn)。
國內(nèi)外在政策與產(chǎn)業(yè)方面均將集成系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)視作重要發(fā)展方向。美國在 2018 年啟動(dòng)的聯(lián)合大學(xué)微電子計(jì)劃和電子復(fù)興計(jì)劃，重點(diǎn)均包括異質(zhì)集成。國內(nèi)上海交通大學(xué)、中電集團(tuán)、中科院、長電科技等產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)也在開展系統(tǒng)封裝研究。此外日本、韓國、新加坡等地均有異質(zhì)集成相關(guān)研究的計(jì)劃。臺積電、英特爾、IBM、三星等國內(nèi)外半導(dǎo)體大廠均在做 3D 封裝集成研究。
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