中国工程院院士吴汉明:后摩尔时代的芯片挑战和机遇

日期:2021-06-09     来源:半导体产业网    作者:Jack Chen    
核心提示:6月9日,2021世界半导体大会暨南京国际半导体博览会正式开幕。在上午的高峰论坛上,中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴
 6月9日,2021世界半导体大会暨南京国际半导体博览会正式开幕。在上午的高峰论坛上,中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明发表了题为《后摩尔时代的芯片挑战和机遇》的演讲。

 

对芯片过热的说法提出质疑,吴汉明认为,过热原因是忽悠的人多,认真做芯片的人太少,全球化受阻,需要重视本土化和产能,至少做到增长率要高于全球,更要努力建设产业引领的科技文化,商业成功是检验技术创新的唯一标准。

 

 

吴汉明指出,摩尔定律是在1965年,英特尔创始人提出来,他说每年要把晶体管的密度加一倍,按照这个节奏他做了10年。而后来他“改口”了,他发现赚来的钱不够支撑研发。

 

1975年他提出两年把晶体管的密度加一倍,这样技术研发的费用可以从商业盈利中平衡掉。按照每年提升一倍的节奏太快,不可持续,而两年把集成电路晶体管的密度加一倍持续了近50年。

 

吴汉明表示,上世纪70年代,1个晶体管价值达1美元,现在1美元能买几百万个晶体管,也就是说,当今每个晶体管价格仅有当初的百万分之一。从2G时代的130nm发展到14nm、5nm,摩尔定律发展支撑了通信技术、AI发展。

 

到2015年,下面4条特征线接近瓶颈,难以继续提升,唯有晶体管密度继续沿着摩尔定律向上发展。但在2014年左右,大概28nm时,100万晶体管的价格为2.7美分,到20nm,这一价格增至2.9美分,单个晶体管价钱在往上涨,这就违背了摩尔定律的初衷——价格不变。

 

中国科学家许居衍在30年前就预测在2014-2017年左右,摩尔定律恐怕就走到头了,准确预测到我们在2014年也就是28纳米的时候摩尔定律就走不动了。

 

在谈到产业面临的挑战时,吴汉明表示,产业面临的主要挑战是这个产业链太长,而且太宽。既然产业链那么宽那么大,必然依赖于全球的流通,全球化的经济模式,才能把集成电路产业往前推。世界在半导体器件上的流通是非常大的。正是因为这种流通,使得集成电路才能沿着摩尔定律发展到当今欣欣向荣的状态。

 

吴汉明表示,2002年以前全球芯片每年性能提升52%左右,到2010年为23%,2010年为12%,最近几年差不多每年提升3%,随着发展速度不断下降,摩尔定律开始失效。

 

 

如今,芯片制造工艺正面临三大挑战,也蕴涵着三大创新方向。第一,基础挑战:精密图形。以光刻机为主要装备的工艺目前用193纳米波长形成20纳米、30纳米的图形,在物理原理上面临很大挑战。第二,核心挑战:新材料。芯片发展至今,仅靠尺寸缩小带来的性能提升非常有限,新材料成为重要突破方向,例如硅、铜等将32纳米性能提升70%。因此,新材料、新工艺是集成电路芯片制造的主旋律。第三,终级挑战:提升良率。工艺无论多么先进,良率如果太低就不算成功,因此提高良率也是重要方向。

 

 

“高性能计算、移动计算、自主感知是后摩尔时代三个主要产业驱动方向,业界可以围绕性能、功率、面积、成本进行创新。”吴汉明指出了后摩尔时代芯片发展趋势和驱动方向。

 

 

吴汉明表示,许居衍院士曾提出后摩尔时代有四类技术方向:“硅-冯”范式,通过改变结构形成新型器件,使得摩尔定律能够继续,瓶颈在于功耗和速度;类硅模式,通过TFET等延续摩尔定律;类脑模式,通过3D封装模拟神经元特性,具有存算一体、并行、低功耗等特点,是人工智能的主要途径;新兴范式,通过改变状态、采用新器件和新兴架构实现集成电路创新。

 

从产业角度来看,吴汉明表示,摩尔定律失效对于追赶者而言是个机会。事实上,在先进工艺创新难以为继时,厂商可以通过系统性能提升,在已有成熟工艺的基础上做出更多创新,提升芯片性能。

 

 

最后,吴汉明在总结时强调,全球化是不可替代的途径,企业国际化、外企本土化;芯片制造三大核心挑战包括图形转移、新材料&工艺、良率提升;后摩尔时代的产业技术发展趋缓,创新空间和追赶机会大;全球化受阻,需要重视本土化和产能,至少做到增长率要高于全球;要树立产业技术导向的科技文化,技术成果全靠市场鉴定;加速举国体制下的公共技术研发平台建设。

 
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