芯片工業(yè)：彎道超車之“四殺器

來(lái)源：寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟 

圖 2010-2019年主要半導(dǎo)體國(guó)家和地區(qū)專利質(zhì)量示意

上圖中，三元法專利是指在世界三大市場(chǎng)（美國(guó)、歐盟和日本）申請(qǐng)的專利，通常被認(rèn)為涵蓋更高價(jià)值的發(fā)明，對(duì)應(yīng)著我國(guó)企業(yè)視角中的國(guó)際專利。三元專利轉(zhuǎn)化率，指的是本國(guó)所申請(qǐng)的半導(dǎo)體專利，有多少比例同時(shí)在這三大市場(chǎng)申請(qǐng)。我們可以通過(guò)半導(dǎo)體發(fā)明專利的特征，對(duì)全球半導(dǎo)體主要國(guó)家和地區(qū)的基礎(chǔ)研究進(jìn)行一番分析：

• 中國(guó)大陸的半導(dǎo)體專利被引用數(shù)最低，平均被引用次數(shù)在1左右，僅為中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的一半，美國(guó)的八分之一。這表明中國(guó)半導(dǎo)體專利偏基礎(chǔ)性發(fā)明的極少，全球?qū)W者缺乏引用的必要性。這意味著這些在數(shù)量上完全碾壓全球其它國(guó)家和地區(qū)的中國(guó)大陸半導(dǎo)體專利池，要么是側(cè)重產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)明，要么是為政策申報(bào)、評(píng)獎(jiǎng)、融資而申請(qǐng)的“無(wú)效”專利。
  
• 中國(guó)大陸的三元法轉(zhuǎn)化率低于10%，但中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)只有3%左右，日本、韓國(guó)也遠(yuǎn)低于美國(guó)和歐洲。這表明東亞地區(qū)半導(dǎo)體發(fā)明專利對(duì)同時(shí)進(jìn)入美國(guó)、歐盟和日本沒(méi)有太大興趣，特別是對(duì)其中的歐盟市場(chǎng)，可能對(duì)方東亞半導(dǎo)體企業(yè)缺乏足夠吸引力。美國(guó)半導(dǎo)體專利數(shù)量較少，略低于韓國(guó)和日本，遠(yuǎn)少于中國(guó)大陸，但美國(guó)半導(dǎo)體專利引用率接近8次，是中國(guó)大陸8倍，說(shuō)明其專利在半導(dǎo)體行業(yè)具有原創(chuàng)性和開拓性，代表了行業(yè)的領(lǐng)先水平，其它同行企業(yè)無(wú)法規(guī)避，這是美國(guó)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究實(shí)力仍然強(qiáng)大的一個(gè)明顯證據(jù)。美國(guó)和歐洲三元法轉(zhuǎn)化率都超過(guò)30%，說(shuō)明這兩個(gè)區(qū)域的半導(dǎo)體企業(yè)，都著眼于美國(guó)、歐盟、日本等全球市場(chǎng)。可見，中國(guó)大陸與美國(guó)在半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究上差距不小。
  

老摩爾當(dāng)年還真的留下了錦囊。這個(gè)錦囊，就是美國(guó)電子復(fù)興計(jì)劃反復(fù)強(qiáng)調(diào)的“Page3”。摩爾在1965年初上半導(dǎo)體戰(zhàn)場(chǎng)時(shí)，發(fā)表了“Cramming More Components onto Integrated Circuits”宣言。在這個(gè)宣言的第1頁(yè)、第2頁(yè)，闡述了被半導(dǎo)體世界廣泛推崇的“摩爾定律”，即“當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。”如果說(shuō)機(jī)器人三定律可能會(huì)引導(dǎo)未來(lái)500年的話，摩爾定律則已經(jīng)指導(dǎo)了過(guò)去至少50年。俗話說(shuō)的好，Cash is King，所以筆者認(rèn)為摩爾還是要比科幻作家阿西莫夫厲害許多。在摩爾宣言的第三頁(yè)，摩爾為自己出征沙場(chǎng)留下了錦囊；大兵摩爾早在50多年前，就闡述了一旦情況緊急時(shí)后輩拯救他的突圍路線：（1）優(yōu)化芯片架構(gòu)，（2）優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)，（3）改用更合適的材料，（4）高度集成。

2016年，美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）會(huì)同美國(guó)半導(dǎo)體研究聯(lián)盟（SRC）一起組織全球科學(xué)家對(duì)未來(lái)半導(dǎo)體發(fā)展方向進(jìn)行了深度探討，形成了芯片從基礎(chǔ)階段到應(yīng)用的八層架構(gòu)。其中，構(gòu)成底層的4層與老摩爾1965年提出的4條突圍路線有異曲同工之妙。

圖 科學(xué)家對(duì)半導(dǎo)體層級(jí)劃分

解救摩爾是全球的挑戰(zhàn)，也是所有參與者包括中國(guó)的機(jī)遇。摩爾的全部突圍之路，也即是中國(guó)作為半導(dǎo)體后進(jìn)國(guó)家趕超歐美的主攻方向。對(duì)中國(guó)具體啟發(fā)包括：

1、材料

現(xiàn)在業(yè)內(nèi)最熱的是碳化硅等化合物半導(dǎo)體材料，其在功率器件上有很好的性能表現(xiàn)，但并非替代硅基的合適材料。

世界范圍內(nèi)的科學(xué)家普遍在探索“超CMOS”（beyond-CMOS）材料和器件。美國(guó)微納電子研究中心（NRI）專注于陡坡低功耗晶體管，自旋電子材料和器件，2D材料（例如石墨烯和二維過(guò)渡金屬硫化物）和器件，以及多鐵性材料和器件。歐洲IMEC在研究一系列陡坡器件（譬如隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET），自旋電子器件，以及RRAM和STTRAM。日本國(guó)立工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所（AIST）的電子部則在探索納米電子學(xué)、光子學(xué)、先進(jìn)制造、自旋電子學(xué)、柔性電子學(xué)，以及無(wú)處不在的MEMS和微制造技術(shù)等，化學(xué)部則在研究納米材料、碳納米管應(yīng)用、先進(jìn)功能材料的計(jì)算設(shè)計(jì)等。

2、基礎(chǔ)架構(gòu)

探討中的新型芯片架構(gòu)必需向前看，適應(yīng)新興的器件技術(shù)、新材料、新的制造方案以及新的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)需求，可能會(huì)實(shí)現(xiàn)多值邏輯（例如模擬和量子計(jì)算）和信號(hào)權(quán)重和收斂（例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算）。

在研究新型基礎(chǔ)架構(gòu)時(shí)，需要考慮使用新型金屬和復(fù)合材料，替代現(xiàn)有的（Cu）金屬；需要考慮金屬通孔以外的底層之間的新型互連（例如光互聯(lián)、等離子體互連、基于自旋的互連）。

3、設(shè)計(jì)

從更高效能的EDA工具入手，智能設(shè)計(jì)（IDEA）是一個(gè)突圍方向。目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)布線圖智能生成器，使沒(méi)有電子設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)的用戶能夠在24小時(shí)內(nèi)完成電子硬件的物理設(shè)計(jì)，覆蓋混合信號(hào)集成電路、系統(tǒng)級(jí)封裝和印刷電路板等全領(lǐng)域。從整個(gè)芯片設(shè)計(jì)周期看，目標(biāo)將從零開始數(shù)年完成一個(gè)產(chǎn)品推向市場(chǎng)的當(dāng)前周期，縮短為數(shù)月以內(nèi)。

在2018年8月的深圳集成電路產(chǎn)業(yè)峰會(huì)上，美國(guó)鍇橙公司（Cadence）曾介紹其是美國(guó)電子復(fù)興計(jì)劃第一批入選項(xiàng)目的最大的承擔(dān)者。這表明，要革命性的提升芯片性能，設(shè)計(jì)工具可能是最佳的切入口。

4、集成

美國(guó)計(jì)劃通過(guò)三維單片片上系統(tǒng)（3DSoC）計(jì)劃，開發(fā)3D單片技術(shù)，使SoC的性能提高50倍。2022年3月，英特爾、AMD、ARM、高通、臺(tái)積電、三星、日月光、谷歌、META、微軟等十大巨頭成立了CHIPLET標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，旨在定義一個(gè)開放的、可互操作的標(biāo)準(zhǔn)，用于將多個(gè)硅芯片（或芯粒）通過(guò)先進(jìn)封裝的形式組合到一起。這對(duì)中國(guó)意義非凡，目前部分先進(jìn)設(shè)備被封鎖情況下，工藝節(jié)點(diǎn)被限制，采用類似先進(jìn)封裝方式進(jìn)行性能快速提升是較可行方案。

同時(shí)，我們也要把握芯片制造業(yè)追趕的機(jī)會(huì)。在美國(guó)電子復(fù)興計(jì)劃第一批入選項(xiàng)目中，一項(xiàng)稱為“利用致密細(xì)粒度的單片三維集成技術(shù)徹底改革計(jì)算系統(tǒng)”的項(xiàng)目雄心勃勃：團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用單片三維集成系統(tǒng)，使傳統(tǒng)工藝（90納米級(jí)別）所制造的芯片能與目前最先進(jìn)技術(shù)所制造的芯片相媲美。若如此，我們大量12英寸45-90納米的存量生產(chǎn)線，也有得與臺(tái)積電10-16納米工藝一戰(zhàn)之力。