1958年,TI公司的基爾比研制出了世界上第一塊集成電路,第一個集成電路問世,拉開了集成電路芯片技術飛速發展的序幕。過去半個多世紀,半導體行業一直遵循著摩爾定律的軌跡高速發展。
“摩爾定律不再重要。”中國工程院院士許居衍在2021中國(紹興)集成電路產業創新發展學術峰會上如是說。如今,單純靠提升工藝來提升芯片性能的方法已無法充分滿足時代需求,半導體行業逐步進入了后摩爾時代。
摩爾定律失效,但集成電路依然不可替代。隨著微縮化的集成電路制造技術逐步逼近物理極限,一系列新工藝、新材料、新技術,如三維集成、芯粒技術、存算一體芯片等,都被科學工作者們積極探索,為集成電路技術的發展引入了新的思路,集成電路的“后摩爾時代”也隨之開啟。
“在可以預見的未來,尚不會出現能夠替代集成電路的其他技術。即使出現了,也需要數十年的時間和花費數十萬億美元才能替代今天的集成電路。”清華大學信息科學技術學院教授魏少軍表示。
“集成電路很重要,但發展還是比較緩慢。”中國工程院院士吳漢明直言:當前中國集成電路產業面臨兩大壁壘:
一是政策壁壘,國內集成電路發展受到美國等西方國家的限制,面臨政治上的艱辛;
二是產業新壁壘,產業上的難點主要體現在技術方面,中國半導體行業必須盡快做強核心專利。
在后摩爾時代背景下,人們對待集成電路產業發展方向的解決思路和方法也在逐漸轉換:一方面,基于現有的成熟工藝(28nm及以上制程),主要將其用于新興智能應用方向的市場拓展。另一方面,在對制造技術要求更高的傳統芯片領域,人們依然需要技術迭代,通過引入極紫外(ExtremeUltra-Violet,EUV)光刻等尖端技術進一步按比例微縮化晶體管尺寸或是通過電路和芯片層面的三維集成來繼續維持算力的提升。此外,隨著馮·諾依曼架構的局限性日益明顯,人們也開始探索能夠滿足更高算力、更低能耗需求的新型架構和工藝技術,如非馮·諾依曼架構芯片、類腦芯片以及量子超算芯片等,這些技術正在成為集成電路發展的新方向。
后摩爾時代,中國會遇到三大挑戰。基礎性挑戰是光刻機,核心挑戰是新材料、新工藝。光刻機的短板最為明顯和嚴重,現在我們國內的光刻機跟國外先進的光刻機差了好幾代。檢測設備和材料方面在國際上也很薄弱。然而,后摩爾時代產業技術發展趨緩,但是創新空間和追趕的機會是巨大的。
提升整個產業鏈水平十分關鍵。集成電路領域是鏈的競爭,而不是點的對抗,要看整個產業鏈是否強壯。并且集成電路沒有個人英雄,需要帶動產業鏈各個環節形成合力提升到更高水平。由于上至國家安全下至民生,電子信息時代對信息交互的依賴越來越高了,一個國家集成電路產業的發達程度,將直接決定其在國際上的國防實力和經濟地位。只有掌握了先進集成電路工藝的核心技術,才能在電子信息時代的全球大環境下立于不敗之地。集成電路產業需要從國家層面作出全局的謀劃,并給予資金和技術支持。
例如:2020年以來,長江存儲在128層3DNAND閃存技術上取得突破,達到國際先進水平。然而,與制造工藝技術的發展相比,中國在原材料和制造裝備方面,仍然嚴重受制于國外的技術封鎖。在封裝測試(簡稱封測)領域,中國的封測技術相比于制造和設計,處于世界領先的水平。代表企業如長電科技、通富微電和天水華天,在世界排名中分別為第3、第6和第7名。
在后摩爾時代,人們終將看到以摩爾定律為指導的等比例微縮技術逐漸走向盡頭。但是,通過新材料、新器件和新架構的引入,集成電路產業和市場仍將持續擴大,繼續支撐國家安全與民生等關鍵領域的發展。
道阻且長,行則將至;行而不輟,未來可期。要辦好自己的事情,發揮自身優勢,抓住下一輪創新。