12月17-18日，以“自立自強，在危機中育新機”為主題的2020中國（上海）集成電路創(chuàng)新峰會在上?？茖W會堂舉行。本次峰會由上海市經(jīng)濟和信息化委員會、上海市科學技術委員會和上海推進科技創(chuàng)新中心建設辦公室指導，國家集成電路創(chuàng)新中心、上海市科學技術協(xié)會、中國電子學會聯(lián)合主辦，上海市集成電路行業(yè)協(xié)會、上海集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金、上海市國際科技交流中心、上?？萍及l(fā)展基金會等承辦，峰會還得到了摩爾精英集團等機構的大力支持。 峰會期間，國家科技重大專項（01）專項專家組總體組組長、中國半導體行業(yè)協(xié)會副理事長、清華大學魏少軍教授帶來了主題為《關于集成電路創(chuàng)新的一些思考》的演講，從集成電路發(fā)展歷史到現(xiàn)狀，再到中國發(fā)展契機，囊括技術和產(chǎn)業(yè)。

筆者大致整理如下： 集成電路自誕生之日起，一直依靠創(chuàng)新驅動發(fā)展。計算也從人和物的交互，轉變?yōu)楫斚碌臋C器與機器的交互，5G和AI在過去幾年對社會影響非常大。 集成電路的發(fā)展方向分為三個方向，芯片架構創(chuàng)新、微納系統(tǒng)集成、新器件新材料新工藝。這三個方向都是為了推動摩爾定律前行。 關于器件結構的變化，魏少軍表示，功耗曾是器件變革的重要原因。此前，體硅平面晶體管在20nm已經(jīng)走到盡頭，無法獲得等比例縮小的性能、成本和功耗優(yōu)勢。

產(chǎn)業(yè)界在28nm之后的器件結構選擇上曾經(jīng)爭論不休，但英特爾公司在22nm節(jié)點上成功采用FinFET晶體管后，產(chǎn)業(yè)界在14nm節(jié)點采用FinFET達成共識?！耙虼?，大公司對器件結構選擇的偏好，也會左右行業(yè)的發(fā)展，”魏少軍如此說道。此外，F(xiàn)inFET結構被認為可以一直使用到5nm節(jié)點，但必須找到降低成本的有效途徑。FD-SOI是一個重要選項，基于FD-SOI的FinFET技術也可能會占有一席之地。

目前來看，晶體管結構和材料也在不斷創(chuàng)新，新型晶體管結構如FinFET，Nanosheet/Nanowire等，新型晶體管材料如High mobilitychannel，2D，CNT等。此處，魏少軍提到全包圍柵晶體管（GAA），在應用了GAA技術后，業(yè)內樂觀估計應基本上可以解決3nm乃至更小尺寸的半導體制造問題。 這里的GAA是Gate-All-Around環(huán)繞式柵極技術的縮寫，也稱為全包圍柵極靜態(tài)技術，特點是實現(xiàn)了柵極對溝道的四面包裹，源極和漏極不再和基底接觸，而是利用線狀、平板狀或者片狀等多個源極和漏極橫向垂直于柵極分布后，實現(xiàn)MOSFET的基本結構和功能。

三星宣稱相比7nm工藝而言，GAA技術電壓可以下降至0.7V，并且能夠提升35%的性能、降低50%的功耗和45%的芯片面積。同時，三星給出工藝過程展示，雖然GAA的制造和FinFET有一定的相似之處，但是其技術要求更高，難度更大，相應成本也更昂貴。 魏少軍提到幾個晶體管相關的創(chuàng)新技術，一個是負電容技術，2008年的時候，美國加州大學伯克利分校的胡正明教授正在試驗中發(fā)現(xiàn)，如果在晶體管柵極采用鐵電材料，可以在一定條件下實現(xiàn)負電容效應，從而大大降低晶體管的耗電。

一個是新型二維材料，天然只有三個原子厚度~0.6nm，制造出1nm晶體管。還有分子級晶體管，新型晶體管中的12銦原子以正六邊形排列，每個銦原子的直徑是167皮米?？赏ㄟ^改變銦原子上的電荷分布來改變晶體管中心酞菁分子方向，實現(xiàn)“0”和“1”兩個狀態(tài)，但不是傳統(tǒng)晶體管的通斷開關狀態(tài)。 目前來看，材料和工藝創(chuàng)新是集成電路制造技術發(fā)展的主要任務。

關于芯片架構引領計算領域變革的思考中，魏少軍表示，目前美國和歐洲都在高度重視軟件定義芯片技術的研究。傳統(tǒng)的軟硬件劃分對完成芯片設計來說已經(jīng)不夠了，芯片的架構設計必須包含芯片和軟件兩部分。而且由于軟件加入而產(chǎn)生的增值也許會超過芯片本身價值。硬件工程師不得不開始介入設計軟件。 魏少軍將目前的處理器歸類到以軟件可編程性為Y軸，硬件可編程性為Z軸的四個象限里（如下圖），其中通用處理器屬于第二象限，專用集成電路屬于第三象限，可編程邏輯器件為第四象限。軟件定義芯片在第一象限里，兼具優(yōu)異軟硬件可編程性。

據(jù)介紹，軟件定義芯片架構的通用控制單元是一個可編程的有限狀態(tài)機。它從外部讀取數(shù)據(jù)流、控制流和配置流信息，即所謂的“軟件”；負責運行與任務對應的狀態(tài)流程圖，并以此控制各個子任務的執(zhí)行，每個狀態(tài)對應一組數(shù)據(jù)通道要執(zhí)行的子任務，控制數(shù)據(jù)通道完成配置和執(zhí)行。 “應用定義軟件，軟件定義芯片”是集成電路設計技術的一次根本變革。目前我國在軟件定義芯片領域的突破早已于世界同行。軟件定義芯片技術是能夠替代ASIC和FPGA的新型電路架構技術，有望為我國集成電路設計業(yè)擺脫跟隨模仿、實現(xiàn)趕超，提供一條全新的技術路線。 在集成技術創(chuàng)新開辟摩爾定律延續(xù)新路徑的思考方面，魏少軍表示，如今隨著工藝節(jié)點不斷微縮，設計成本也在爆炸式增長，但是并非所有的器件都需要最先進的工藝。

比如AMD以實現(xiàn)性能、功耗和成本平衡為目標，提出performance/W和performance/$衡量標準，并推行Chiplet，從而實現(xiàn)了逆襲。 此外，業(yè)界在封裝技術上也從2.5D到3D封裝的進階，3D-IC系統(tǒng)集成也逐漸成為了主流。在此，魏少軍提到了英特爾的3D Foveros技術和臺積電的3D SoIC方案。 最后，魏少軍表示，芯片是支撐數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的基礎，在可以預見的未來，尚不會出現(xiàn)能夠替代集成電路的其他技術。即使出現(xiàn)了，也需要數(shù)十年的時間和花費十數(shù)萬億美元才能替代今天的集成電路。 再者，經(jīng)過60多年的發(fā)展，集成電路技術又一次站在岔路口上，主流器件、芯片架構和微納系統(tǒng)集成等三個領域的創(chuàng)新，將是集成電路跨過5nm需要克服的幾個關鍵技術。 器件結構的選擇將決定未來競爭的制高點，架構創(chuàng)新將引領計算領域的變革，而微納系統(tǒng)集成技術將開辟摩爾定律延續(xù)新路徑。三者相互支撐，互相影響，是在5nm之后掌握發(fā)展主動權的關鍵。

如今，我國在集成電路領域進步很快，但“核心技術受制于人，產(chǎn)品處于中低端”的情況還沒有徹底改觀，基礎研究和基礎人才的培養(yǎng)沒有跟上需求的發(fā)展是重要原因。未來十年，我們面臨器件結構更新，計算架構創(chuàng)新和系統(tǒng)集成路徑變革等重大機遇。抓住這些機遇將會大有所為。

原文標題：魏少軍：關于集成電路創(chuàng)新的一些思考

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