芯片工業(yè)：彎道超車之“四殺器

來源：寬禁帶半導體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟 

圖 2010-2019年主要半導體國家和地區(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（美國、歐盟和日本）申請的專利，通常被認為涵蓋更高價值的發(fā)明，對應(yīng)著我國企業(yè)視角中的國際專利。三元專利轉(zhuǎn)化率，指的是本國所申請的半導體專利，有多少比例同時在這三大市場申請。我們可以通過半導體發(fā)明專利的特征，對全球半導體主要國家和地區(qū)的基礎(chǔ)研究進行一番分析：

• 中國大陸的半導體專利被引用數(shù)最低，平均被引用次數(shù)在1左右，僅為中國臺灣地區(qū)的一半，美國的八分之一。這表明中國半導體專利偏基礎(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家和地區(qū)的中國大陸半導體專利池，要么是側(cè)重產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)明，要么是為政策申報、評獎、融資而申請的“無效”專利。
  
• 中國大陸的三元法轉(zhuǎn)化率低于10%，但中國臺灣地區(qū)只有3%左右，日本、韓國也遠低于美國和歐洲。這表明東亞地區(qū)半導體發(fā)明專利對同時進入美國、歐盟和日本沒有太大興趣，特別是對其中的歐盟市場，可能對方東亞半導體企業(yè)缺乏足夠吸引力。美國半導體專利數(shù)量較少，略低于韓國和日本，遠少于中國大陸，但美國半導體專利引用率接近8次，是中國大陸8倍，說明其專利在半導體行業(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)無法規(guī)避，這是美國半導體基礎(chǔ)研究實力仍然強大的一個明顯證據(jù)。美國和歐洲三元法轉(zhuǎn)化率都超過30%，說明這兩個區(qū)域的半導體企業(yè)，都著眼于美國、歐盟、日本等全球市場。可見，中國大陸與美國在半導體基礎(chǔ)研究上差距不小。
  

老摩爾當年還真的留下了錦囊。這個錦囊，就是美國電子復興計劃反復強調(diào)的“Page3”。摩爾在1965年初上半導體戰(zhàn)場時，發(fā)表了“Cramming More Components onto Integrated Circuits”宣言。在這個宣言的第1頁、第2頁，闡述了被半導體世界廣泛推崇的“摩爾定律”，即“當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。”如果說機器人三定律可能會引導未來500年的話，摩爾定律則已經(jīng)指導了過去至少50年。俗話說的好，Cash is King，所以筆者認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，摩爾為自己出征沙場留下了錦囊；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，（3）改用更合適的材料，（4）高度集成。

2016年，美國半導體行業(yè)協(xié)會（SIA）會同美國半導體研究聯(lián)盟（SRC）一起組織全球科學家對未來半導體發(fā)展方向進行了深度探討，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 科學家對半導體層級劃分

解救摩爾是全球的挑戰(zhàn)，也是所有參與者包括中國的機遇。摩爾的全部突圍之路，也即是中國作為半導體后進國家趕超歐美的主攻方向。對中國具體啟發(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)的科學家普遍在探索“超CMOS”（beyond-CMOS）材料和器件。美國微納電子研究中心（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（譬如隧道場效應(yīng)晶體管FET），自旋電子器件，以及RRAM和STTRAM。日本國立工業(yè)科學技術(shù)研究所（AIST）的電子部則在探索納米電子學、光子學、先進制造、自旋電子學、柔性電子學，以及無處不在的MEMS和微制造技術(shù)等，化學部則在研究納米材料、碳納米管應(yīng)用、先進功能材料的計算設(shè)計等。

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)動需求，可能會實現(xiàn)多值邏輯（例如模擬和量子計算）和信號權(quán)重和收斂（例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)形態(tài)計算）。

在研究新型基礎(chǔ)架構(gòu)時，需要考慮使用新型金屬和復合材料，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

從更高效能的EDA工具入手，智能設(shè)計（IDEA）是一個突圍方向。目標是創(chuàng)建一個布線圖智能生成器，使沒有電子設(shè)計專業(yè)知識的用戶能夠在24小時內(nèi)完成電子硬件的物理設(shè)計，覆蓋混合信號集成電路、系統(tǒng)級封裝和印刷電路板等全領(lǐng)域。從整個芯片設(shè)計周期看，目標將從零開始數(shù)年完成一個產(chǎn)品推向市場的當前周期，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)峰會上，美國鍇橙公司（Cadence）曾介紹其是美國電子復興計劃第一批入選項目的最大的承擔者。這表明，要革命性的提升芯片性能，設(shè)計工具可能是最佳的切入口。

4、集成

美國計劃通過三維單片片上系統(tǒng)（3DSoC）計劃，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、臺積電、三星、日月光、谷歌、META、微軟等十大巨頭成立了CHIPLET標準聯(lián)盟，旨在定義一個開放的、可互操作的標準，用于將多個硅芯片（或芯粒）通過先進封裝的形式組合到一起。這對中國意義非凡，目前部分先進設(shè)備被封鎖情況下，工藝節(jié)點被限制，采用類似先進封裝方式進行性能快速提升是較可行方案。

同時，我們也要把握芯片制造業(yè)追趕的機會。在美國電子復興計劃第一批入選項目中，一項稱為“利用致密細粒度的單片三維集成技術(shù)徹底改革計算系統(tǒng)”的項目雄心勃勃：團隊計劃利用單片三維集成系統(tǒng)，使傳統(tǒng)工藝（90納米級別）所制造的芯片能與目前最先進技術(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，也有得與臺積電10-16納米工藝一戰(zhàn)之力。