劉明院士之問：芯片靠尺寸微縮還能走多遠(yuǎn)?

9月15日，中國科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院院長、教授劉明在第二屆中國(上海)自貿(mào)區(qū)臨港新片區(qū)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇上表示，現(xiàn)階段，單純依靠尺寸微縮為處理芯片帶來的性能提升只有3%左右。在很多情況下，處理芯片性能的提升都是依靠架構(gòu)并行處理來實(shí)現(xiàn)的。

尺寸微縮的紅利空間已經(jīng)很小了

在整個(gè)集成電路發(fā)展最美好的時(shí)期里，集成電路的尺寸不斷微縮，密度不斷增加，但是功率密度不變。劉明認(rèn)為，回顧集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在尺寸微縮的整個(gè)歷程中，無論是材料、器件結(jié)構(gòu)，還是光刻技術(shù)、封裝和EDA工具，甚至連商業(yè)模式都在不斷發(fā)生著創(chuàng)新。

她以材料領(lǐng)域?yàn)槔f道，80年代的集成電路生產(chǎn)線只有12種材料，90年代有五種新材料進(jìn)入集成電路生產(chǎn)，20世紀(jì)以后有大量新材料進(jìn)入產(chǎn)線。今天的硅基集成電路更像一個(gè)平臺(tái)，正因?yàn)樽陨淼拈_放性和包容性，硅技術(shù)才能一直發(fā)展下去，讓其他新技術(shù)和新材料彌補(bǔ)自己的不足。

器件結(jié)構(gòu)也在一代一代地更新、發(fā)展。面對更高密度和更小尺寸的器件，光刻技術(shù)正在不斷創(chuàng)新，EUV技術(shù)正在進(jìn)一步演化。劉明指出，在7納米工藝節(jié)點(diǎn)，EUV只用了5～6成，3納米工藝節(jié)點(diǎn)有20層光刻要用到EUV技術(shù)，如果沒有EUV技術(shù)是很難實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的。

能否將自由電子激光作為EUV光源?劉明在演講中表示，這也是一個(gè)國際上比較熱的話題。軟科學(xué)等一些其他的技術(shù)同樣會(huì)在光刻技術(shù)中起到越來越重要的作用。

在整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，尺寸微縮成為了一個(gè)最重要的驅(qū)動(dòng)力，它的確曾經(jīng)為集成電路性能的提升帶來了非常大的紅利。在集成電路發(fā)展的“美好時(shí)期”里，單純依靠尺寸微縮，處理芯片的算力每年就可以提高到52%，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展。

但是現(xiàn)在，劉明指出，這一紅利空間已經(jīng)在逐步縮小?，F(xiàn)階段，單純依靠尺寸微縮為處理芯片帶來的性能提升只有3%左右。在很多情況下，處理芯片性能的提升都是依靠架構(gòu)并行處理來實(shí)現(xiàn)的。

先進(jìn)封裝是一條可選擇的道路　　

尺寸微縮能夠走多遠(yuǎn)?集成電路產(chǎn)業(yè)應(yīng)該選擇哪條道路?劉明通過一系列數(shù)據(jù)在演講中指出，目前如果微縮道路走不下去的話，先進(jìn)封裝其實(shí)是一條可以選擇的道路。

“如果我們用做硅制造技術(shù)取代傳統(tǒng)的封裝，可以達(dá)到性能互聯(lián)指數(shù)的提升。”劉明表示，目前這樣的先進(jìn)封裝技術(shù)多種多樣，命名方式也存在不同。從晶元堆疊、晶元級封裝，再到晶體管級制造端異構(gòu)集成，它們的精度可以向毫米和納米演變，互聯(lián)密度也在急劇增長。

“目前，基于先進(jìn)封裝集成芯片已經(jīng)成為高性能芯片的首選。”劉明說道，在同等工藝節(jié)點(diǎn)下，如果采用先進(jìn)封裝技術(shù)來進(jìn)行集成芯片的集成，能夠?qū)崿F(xiàn)15%左右的性能提升。

先進(jìn)封裝技術(shù)是目前所有高性能處理器的首選技術(shù)。她表示，無論是通過自研還是進(jìn)口，短期內(nèi)我們都沒有辦法獲得可以用來做產(chǎn)品的EUV光刻機(jī)。在沒有先進(jìn)光刻機(jī)來發(fā)展先進(jìn)制程的情況下，基于先進(jìn)封裝集成芯片應(yīng)該是擺脫限制、發(fā)展自主高端芯片的必由之路。

從早期的微處理器，到后來的手機(jī)芯片，再到現(xiàn)在的智能手機(jī)，都有一個(gè)可以支撐起一代技術(shù)，并且擁有巨大市場需求量的產(chǎn)品。但是現(xiàn)在，智能物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的序幕已經(jīng)拉開。在這個(gè)時(shí)代里，人們很難找到一個(gè)可以支撐一代技術(shù)發(fā)展的單一產(chǎn)品。采用先進(jìn)硅工藝設(shè)計(jì)用戶會(huì)變少，因此根據(jù)產(chǎn)品需求選出適配的芯片，再用集成芯片技術(shù)整合成產(chǎn)品，就能夠滿足未來多樣性市場的需求。

作者丨張依依

編輯丨連曉東

美編丨馬利亞