吳漢明院士：后摩爾時代中國IC的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

從28納米、32納米開始基本上就是一個后摩爾時代，因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%91%A9%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B/">摩爾定律的節(jié)奏已經(jīng)給打破了。

11月19日，中國工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長聚焦產(chǎn)教融合支持交叉學(xué)科成果轉(zhuǎn)化，以“后摩爾時代中國IC的挑戰(zhàn)和機(jī)遇”為題發(fā)表主題演講。

最初1965年時，摩爾提出了摩爾定律，“當(dāng)價格不變時，可容納的元器件數(shù)量約每年增加一倍，性能也將提升一倍。”10年后，摩爾發(fā)現(xiàn)每年把技術(shù)提升一代導(dǎo)致的結(jié)果就是研發(fā)的經(jīng)費(fèi)就跟不上了，所以到1975摩爾將摩爾定律修正為：單位面積芯片上的晶體管數(shù)量每兩年能實(shí)現(xiàn)翻番。

后摩爾時代晶體管密度逐漸提升，最開始英特爾基本上能堅(jiān)持，在每一個技術(shù)代上把它的晶體管壁翻一翻能做到，但是到2014年英特爾發(fā)展10nm就使用了4年，現(xiàn)在的目標(biāo)是準(zhǔn)備做7nm。英特爾無法做到每兩年提升一代，每代密度加倍。

另一個龍頭臺積電，臺積電基本上能每兩年提升一代技術(shù)，但其提升的技術(shù)并不是把晶體管密度翻一番。所以從兩個龍頭企業(yè)來看，吳漢明院士認(rèn)為，從28納米、32納米開始基本上就是一個后摩爾時代，因?yàn)槟柖傻墓?jié)奏已經(jīng)給打破了。

摩爾定律里面另一個是說價格要持續(xù)的下降，也就是說每單個晶體管的價錢差不多就是每兩年要降一倍下降一半。但從28nm后，制造成本下降趨緩。

對于如何在后摩爾時代培養(yǎng)人才的問題，吳漢明院士從最早的人才出現(xiàn)分析。集成電路在1947年的發(fā)明第一個晶體管，這是集成電路領(lǐng)域從0到1的創(chuàng)意階段。科學(xué)家從0到1發(fā)現(xiàn)世界解決可能性問題，后面的幾十年，就是工程師從1到100，改造世界解決可行的問題。其實(shí)摩爾定律發(fā)展60年，基本上就是卓越工程師的推進(jìn)。對于集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，主要是依賴于卓越工程師的團(tuán)隊(duì)。

吳漢明院士以浙江大學(xué)電子學(xué)院的教材舉例，會發(fā)現(xiàn)跟教材里面的90%以上的都是設(shè)計(jì)相關(guān)的。以其中與制造相關(guān)的集成電路工藝技術(shù)就能夠體現(xiàn)交叉學(xué)科，如果將其歸類可以看到在圖形工藝?yán)锩?，我們涉及到了一大堆的光學(xué)、材料、流體力學(xué)、傳熱、材質(zhì)、物理等等。

集成電路制造是交叉學(xué)科集中體現(xiàn)的載體，人才培養(yǎng)的新挑戰(zhàn)。芯片制造人才不靠靈機(jī)一動發(fā)明，它靠的是成套工藝中成體系和系統(tǒng)性的、穩(wěn)定的關(guān)鍵工藝技術(shù)提升，一點(diǎn)一滴的積累。在工業(yè)化的道路上，我國集成電路產(chǎn)業(yè)也才剛剛進(jìn)入追趕型的后工業(yè)化，所以不必過分強(qiáng)調(diào)追求所謂集成電路科學(xué)的原創(chuàng)。脫離制造業(yè)的基礎(chǔ)和生態(tài)追求集成電路科學(xué)原始創(chuàng)新和基礎(chǔ)研究，事實(shí)上是舍本逐末，事倍功半。無助于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

吳漢明院士分享了后摩爾時代的四類方向。第一是“硅-馮”范式，二進(jìn)制基礎(chǔ)的MOSFET和CMOS(平面)和泛CMOS(立體柵FinFET、納米線環(huán)柵NWFET、碳納米管CNTFET等技術(shù)）。第二是類硅模式，現(xiàn)行架構(gòu)下NC FET(負(fù)電容)、TFET(隧穿）、相變FET、SET(單電子)等電荷變換的非CMOS技術(shù)，這一類也是延續(xù)摩爾定律的主要技術(shù)。第三類是類腦模式，3D封裝模擬神經(jīng)元特性、存算一體等計(jì)算、并行性、低功耗的特點(diǎn)，人工智能的主要途徑。第四是新興范式，狀態(tài)變換、新器件技術(shù)和新興架構(gòu)。

由于后摩爾時代工藝進(jìn)步無法支持算力增長的需求，未來高算力芯片創(chuàng)新發(fā)展有三個路徑，分別是，存算一體芯片、可重構(gòu)計(jì)算芯片、三維集成技術(shù)。在三個方面，清華大學(xué)吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)也做出了相關(guān)產(chǎn)品，例如：采用28nm實(shí)現(xiàn)了全球最大容量存算芯片，單芯片算力達(dá)到300-500TOPS；采用40nm工藝，可實(shí)現(xiàn)能效全球領(lǐng)先（~20TOPS/W）的混合程度可重構(gòu)芯片；公開發(fā)表基于TSV的三維異質(zhì)異構(gòu)集成電路芯片。

在這些技術(shù)驅(qū)使下，也需要成果轉(zhuǎn)化。在成果轉(zhuǎn)換中，最牛的還是在1959年杰克·基爾比與他發(fā)明的第一塊集成電路，五個月后出現(xiàn)了一個真正的二維的集成電路的雛形。之后專利交叉，德州儀器授權(quán)晶體管電阻電容集成、仙童授權(quán)平面互聯(lián)線，這才真正的奠定了現(xiàn)代工程電腦產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。

回顧看我們國家的發(fā)展歷史，從1958年我國出現(xiàn)第一塊硅單晶，這一時期中國與美國的差距落后很有限，但是在一開頭做單晶硅的時候，中國比日本還提高了一點(diǎn)。但隨著產(chǎn)能提升的發(fā)展，我們的差距越來越大。這是一個值得國內(nèi)反思的地方。為什么開始落后？是工程文化建設(shè)不夠。工程文化建設(shè)亟待加強(qiáng)。

吳漢明院士提出四點(diǎn)建議：

第一，提倡工程師文化，充分遵從工程的特點(diǎn)與規(guī)律，尊重工程中的創(chuàng)新性及系統(tǒng)性，崇尚解決重大工程問題的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性 ，重視工程技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化和集成。

第二，不局限某一單項(xiàng)技術(shù)的引進(jìn)和突破上。單點(diǎn)突破往往并不符合集成電路發(fā)展的規(guī)律。（突破傳統(tǒng)獨(dú)門秘籍和 “名教”的信仰）。

第三，集成電路產(chǎn)業(yè)復(fù)雜性需要工程師的協(xié)作和配備能力 ，制造成套工藝和供應(yīng)鏈上每環(huán)節(jié)都要達(dá)到一定層次，才有一流的成果。

第四，不僅僅依賴引進(jìn)或轉(zhuǎn)化先進(jìn)技術(shù)，要更加重視產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈的塑造，建設(shè)符合市場成本原則配備和工業(yè)生產(chǎn)的能力。發(fā)展成套工藝是硬道理。