吴汉明院士:后摩尔时代的交叉学科如何与产业互动

日期:2021-10-19     来源:半导体行业观察    作者:吴汉明    
核心提示:上周,在第十九届中国通信集成电路技术应用研讨会暨青岛微电子产业发展大会(CCIC 2021)期间,中国工程院院士、浙江大学微纳电
       上周,在“第十九届中国通信集成电路技术应用研讨会暨青岛微电子产业发展大会(CCIC 2021)”期间,中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明,针对“后摩尔时代的交叉学科如何与产业互动”这一话题做了深度报告。

       吴汉明院士提到,自从去年国务院把集成电路作为一个交叉学科提出来,到今年已经有一年多了,我一直在想交叉学科跟产业的互动关系。

所谓的后摩尔时代,就是根据1965年摩尔提出来的当成本不变的情况下,性能和密度都要增加1倍。在这个基础上,他说每年增加1倍,十年以后,他说每年增加1倍的话,根本就没有赚钱的机会,十年以后,1975年就改成两年一次新技术的诞生,这样的话就可以可持续支持研发持续发展。到2005年,他说摩尔定律由于成本的问题恐怕很难走下去。后来他在两个会议上提出,技术走到2025年,他觉得走不下去了。所以摩尔定律的发展经过50、60年的历程,走得相当远了。

  我们来看看现在把它定义为一个后摩尔时代,我个人觉得如果从摩尔当时的定义,从这两条曲线可以看到,红色的是英特尔的,另外一条是台积电的,我们可以看到从22纳米一路走过来,走到当今英特尔的10纳米,与台积电的7到5个纳米,我们可以看出来,在一个平方毫米上的晶体管的数量达到1个亿左右,如果走到7纳米、5纳米就可以到1.7个亿每平方毫米,有1.7亿的晶体管在里面。这说明什么问题呢?说明原来摩尔说的,每两年晶体管的密度要翻一番,在这里显然是做不到的,我们看到两家龙头企业做不到,所以基本上放弃每两年晶体管密度加1倍的提法。所以我个人觉得,这是一个后摩尔时代的重要标志。

  另外一个标志,就是制造成本,我们把台积电的数据拿出来看看,我们可以看到在0.13微米到28纳米这个区间,成本的下降是非常厉害的,基本上可以跟随摩尔定律的节奏。但是降到28纳米以后,进入20纳米节点的时候,我们可以看到制造成本的下降就非常艰难了,完全做不到成本下降了,质量不变。所以我觉得这两个应该是后摩尔时代的特征。

  后摩尔时代的挑战和机遇是什么呢?我跟大家分享一下,下面是一张网上下载的图,从这张图我们可以看到集成电路的性能提升,从1978年X轴的最左边一直延伸到,这个数据是2018年,我们可以看到在2002年以前,晶体管、集成电路的性能每年提升52%,后来每年可以提升23%,到2010年以后,每年提升12%,但是到2014年以后,我们的性能提升就只有3.5%,所以每年的性能提升已经达到一个饱和的状态,再也不能像以前这样性能提升1倍,就很难持续下去。这是从技术层面来看它应该也是一个后摩尔时代的标志。

  那么在后摩尔时代带来一些挑战,有它的一些特点,大家比较看好的技术会走得比较泛宽一点,我个人觉得是叫泛摩尔定律,在后摩尔时代要走的技术基本上呈现了一下几个特点:

  1、技术方向很不清楚,各走各有的途径,八仙过海,各显神通;

  2、大家放弃了对一个特征线条单一参数的追求,不用去追求一个单一的特征;

  3、应用场景更宽,因为从现在无论是大数据、5G通讯等等,它的应用是上天入地,日常生活不所不在;

  4、市场碎片化,没有一个明显的垄断,比如说我们来一个可穿戴的产品,比如智能手表,就很难说哪个是最垄断的,没有,因为各有各的特点,各有各的功能,各有各的需求;

  5、研发经费相对来说低廉,因为你如果不去追求单一特征尺寸的话,不会动辄几个亿,多则几十个亿的美金要投进去,不是这样的,因为后摩尔时代一些小众的产品在市场上挺有生存空间的。

  机遇就是:

  1、既然技术发展方向不那么明确,创新的空间很大;

  2、设备和其他条件没有那么苛刻。

  3、市场空间很大;

  4、对中小企业的成长很有利;

  5、产品研发起来比较容易启动。

  下面这张图是后摩尔时代国内一家龙头企业的财报,我们可以看出来,它整个收入的支撑点还是在55纳米为基础的,真正在高端上的支撑点还是非常小的比例。也就是说一些相对成熟的工艺,它的占比大概是80%,也就是说我们做一些相对成熟的工艺,其实有很大的市场和创新空间。

  在整个制造中间,我自己本人也是最近两年才到教育系统,到浙江大学从事教育工作,我前面的时间都是在企业里或者在研究所,从事一些研究、技术开发工作。到大学以后,我就把浙江大学的微电子学院的讲义和教材翻出来看了一下,其实这个讲义和教材,北大、清华一些微电子的教材都是大同小异,差不多都是这个样子,反正有几十门课。但是你仔细一看,里面的教材90%以上都是讲设计的。刚才少军介绍说我们国家的产业发展最短的短板还是在制造上,但是从我们国家教育系统来看,也就是不到10%的教材是在讲制造方面的事情,基本上我们的微电子学院都是讲设计,讲制造非常少。

  但实际上这个短板里面的核心是什么?就是集成电路的工艺,就是要把这个晶体管做到硅里面去,下面这张示意图的最下层是由成千上万个晶体管,通过各种各样的导体,把它连出来,再通过很长的铜线把晶体管连接起来,就形成了这样一个集成电路芯片的基本结构。

  在制造过程中间,流程非常长。举个例子,如果做28纳米的制造,它的工艺流程非常长,整个流程大概有1000多步,其中最复杂的、最具挑战的大概是前段工艺,它的工艺流程大概有一半是前段工艺的一些技术。我们可以看到,所谓的前端工艺就是要把晶体管做出来。晶体管做完以后,我们就要把这些晶体管连接起来,形成所谓的后段工艺,就是把晶体管连接的工艺,从130纳米以后这个连接技术就是由铜来连接,而不是由铝。在连接里面,虽然它的花样,它的种类没有那么多,基本上就是薄膜、光刻来回做,因为取决于铜有多少层的固定层,通常现在的都是10多层,就反复做。所以整个来看,后段的工艺所涉及到的学科基本上以材料科学为主,前段工艺在晶体管制作中间实际上就是固体物理的东西,这两段对于学科的要求是不一样的。

  刚才很长的工艺流程中间,我们拿出来三个工艺模块,我们可以看到,做图形的那一部分,就是光刻和刻蚀上面,我们所涉及到它的物理学,包括里面的光学、等离子体、表面物理等等,还涉及到数学、化学、材料、精细化工等等很多学科都会卷进来。做薄膜工艺的时候所涉及到的也有很多学科,包括摩擦学都会进来,因为在CNP里头有相当多摩擦学的基本概念在里头。像阱的制备,加速器物理等等都会涉及进来。所以整个交叉学科在工艺里面的体现是非常明显的,集中体现了交叉学科的体征。

  从这里我要强调一下,我们做芯片制造,其实最大的特点就是要有成套工艺,而不是某一段工艺,刚才我说的1000步工艺,并不是说其中几步工艺,所以我觉得成套工艺是我们芯片制造的核心的核心,也是我们产业水平的标准。所谓成套工艺就是我们首先要工艺流程设计,关键的工艺设备的验证,关键工艺模块的开发,最后把模块里面的工艺参数的优化,优化以后最重要的一步把它成套集成起来,就形成一个天衣无缝的组合,就做成一个我们需要的芯片。

  整个这个流程过程中间,我们可以看到,像产业里面的一些终极目标就是它的良率提升,不管你是新企业、老企业、大企业、小企业永恒的目标和挑战,就是良率提升技术,这就相当于一个产业的共性技术。

  下面是我前几天画的一张图,我想表明这样一个意思,我们在集成电路芯片制造里面有很多学科,从数学、物理、化学、化工、计算机等等很多学科,但是这些零零散散分布在理工科高校里面的这么多学科,只有通过一个成套工艺的集成这么一个载体,才能把它形成一个产品,产生它的价值。正是通过成套工艺,我们形成产品的过程中可以关注一些产业的共性技术,比如工艺集成的优化、良率提升,包括现在想做的虚拟制造等等,像这些工艺技术缺少了成套工艺是没有结果的。

  所以,现在我们看到国内有很多平台,都说对产业的共性技术进行研究,但是个人觉得,脱离了成套工艺,对产业技术所谓的共性研究是很难的,必须依托成套工艺,才能在制造的共性技术上有所支撑。

  我举个例子,作为交叉学科,我们在用等离子体物理的基本概念用一些刻蚀的,比如我刚才提到的,我们需要用铜,铜不能刻蚀,它是非挥发性的,是惰性非常好的材料,一般的刻蚀没法惊醒。于是我们想起我们老祖宗景泰蓝的办法,在陶瓷上拉个图形出来,把铜嵌入进去,最后用沙皮打一打,就是我们景泰蓝,我们有上千年的历史,很遗憾那个时候我们没有形成专利。IBM大概在30年前,把制造铜,只能是在介质里面,挖了沟以后,把铜填进去。在这个体系里面,我举个例子,比如说我们等离子体物理的基本概念怎么用起来呢?我们看在铜的连接线里面,我们通常会打个通孔,把通孔的BUG填进去,最后把沟槽蚀刻,最后再把铜填进去,通过这样的流程把后面的铜通点做出来。

  在整个流程中间,我们通过等离子体的刻蚀,把这个通孔做出来的时候,就需要通孔在刻蚀的过程中,在底部形成的曲面是凸形的,而不是凹形的,这样的话可以提升良率。于是我们希望等离子刻蚀的时候,希望这个离子进入通孔以后是发散的,使得离子轨道发生变化了,只能增加表面电荷。我们通过一些等离子体物理的特征,把它表面电荷增强以后,形成了右下角的图形刻蚀的剖面。这个技术土地通过有物理背景,通过等离子物理的运用,于是我们想到等离子可以控制地层的剖面,控制剖面的时候,现在最流行的我们知道双曝光,在这个过程中是不是可以利用等离子体对刻蚀表面控制的特征,目前形成这个过程的途径很多,我们觉得也许通过等离子物理的基本概念运用,可以得到这个过程。

  举这个例子,就是给大家演示,一些学科在成套工艺流程中间,有很多发明点,很多创新点。

  既然整个工艺流程那么复杂,通过一个企业或者一个单位来做是不现实的,所以我们必须通过国内顶尖的企业,顶尖的高校,顶尖的研究所,我们一起来做这个集成电路产学研三位一体的发展,就是产学研。比如说必须要加强集成电路产业和科研的关系,以及科研和教学的关系,教学和集成电路产业的关系。因为这个产业呈现了三大特点,第一个是产业链特别长,不是某一个专业可以涵盖的;第二个,从教学上来看,因为它的学科太交叉,不是一个系、一个学院搞得定的,通常是一个理工科大学里面很多行业都可以卷进去;第三个,科研特点,它的领域特别宽,产业化的难度非常大,尽管我们看到很多核心技术突破,真正对产业支撑的少之又少。

  既然这么难做?我们产学研的合作,尤其是譬如科研跟产业的合作这一块有个共同区,教学跟产业的合作、科研跟教学的合作,都要加强起来。核心就是产学研中间有个三角区,就是产业和科研、教学的公共区域,我们需要增强,因为在这个区域里面才能对三个方面都是可以出得上力,可以对产业有所贡献。

  在这个思路下,我们在浙江大学做了一条生产线,一定要做成套工艺的公共平台,因为缺少了成套工艺,做产业的共性技术研发,我觉得是不可思议的,是很难的。在这个平台上,我们定位为一个12寸55纳米的试验线,这条线上最大的特点是设计制造一体化,因为原来浙江大学的设计能力还是比较强的,也对国家的产业做了很多贡献,我们把制造跟设计一体化,融为一体,对我们的产业可以做很多共性技术的研究。

  另外,我们可以做个新工科学院的建设,让学生和老师有一个产教融合的平台,有个实习场景,我们可以想像,我在想,如果我们全国的集成电路专业学生、微电子的专业学生,大概现在是8、9千人,如果有机会把每个学生毕业之前能够到这个平台上,从设计制造走一下,我觉得对我们的学生培养一定是非常有好处的。所以我想这个新工科的建设,一定有它很好的前景。

  另外,因为这是一条很小的线,它可以对我们的新产品、新材料、新装备提供一个试验的场所,因为你做一个新的材料、新的装备,脱离了成套工艺的支撑,你这个新的东西怎么才能用起来呢?所以这对国家产业链的发展一定有很大支撑作用的。

  其实我今天讲的核心,我总觉得我们国家的集成电路对产业引领上还要大大加强,我们老是说我们的国家集成电路起点低,发展晚,其实不对,我们发展得很早,我们中国的第一块硅单晶1958就做出来了,第一块硅集成电路诞生是1965年,当时跟世界的差距也不大。但是随着产能到1000万块,1亿块,或者6亿块,到最后我们跟世界产业的先进技术水平差距就差了将近20年。所以就是产业引领,在我们整个集成电路领域里面,我觉得是不够。所以我始终认为,我们做研究只是手段,目的就是产业化,现在的王道就是产能,这其实是关联的。

  我刚才说,我们的产业引领做得不是很够,我们的产能提升这个王道没有抓住,导致的后果就是最近7年,《集成电路产业推进纲要》颁布有7年了,这7年以来,国内的芯片市场上的国产化率反而更小了,进口率反而变大了,这个数据我看到以后,心里就觉得很别扭,我们推进纲要出来7年了,但是芯片的国产化率没有上来,我总觉得是对“科研是手段,产业是目的,产能是王道”理解不够。

  从产能来看,美国的产能近几年来一直在下降,欧洲也是在下降,日本基本上是维持,韩国和我们的台湾地区,产能在最近上升得很快,但是到2020年以后,预测产能提升不会那么快,就是我们中国的产能提升必须要加强。在我们先进技术还没有达到顶尖水平的时候,产能是不能放弃的。所以我觉得产能为王,大家现在已经看到这个结果了,对我们国家的影响真是非常大。所以现在说集成电路发展过热之类的,这个说法也未必正确,过热是因为烂尾楼的工程显得很过热,其实你要选到好的产品和方向,我们集成电路的需求是很大的,完全可以大大发展,核心就是说我们要寻找合适的方向,找到自己能做的事情嵌入进去。


  总之,我国的集成电路芯片发展是非常艰辛的,后摩尔时代发展节奏下来了,给我们追赶者一个机会。我要强调的就是芯片的成套工艺是提供交叉学科发展的舞台,只有通过这个舞台,交叉学科才能体现它的价值。所以在产业引领方面,我觉得政府的各有关部门真的要重视,其实产业引领比科学引领更重要。回顾集成电路发展60年的历史,我们的科学技术在50年代也是蛮可以的,但是产业没有跟上去。

  最后,再强调一下:科研是手段,产业是目的,产能是王道。

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