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吳漢明院士:后摩爾時代的交叉學科如何與產業互動
欄目:行業新聞 發布時間:2021-10-20

上周,在“第十九屆中國通信集成電路技術應用研討會暨青島微電子產業發展大會(CCIC 2021)”期間,中國工程院院士、浙江大學微納電子學院院長吳漢明,針對“后摩爾時代的交叉學科如何與產業互動”這一話題做了深度報告。
吳漢明院士提到,自從去年國務院把集成電路作為一個交叉學科提出來,到今年已經有一年多了,我一直在想交叉學科跟產業的互動關系。
所謂的后摩爾時代,就是根據1965年摩爾提出來的當成本不變的情況下,性能和密度都要增加1倍。在這個基礎上,他說每年增加1倍,十年以后,他說每年增加1倍的話,根本就沒有賺錢的機會,十年以后,1975年就改成兩年一次新技術的誕生,這樣的話就可以可持續支持研發持續發展。到2005年,他說摩爾定律由于成本的問題恐怕很難走下去。后來他在兩個會議上提出,技術走到2025年,他覺得走不下去了。所以摩爾定律的發展經過50、60年的歷程,走得相當遠了。

我們來看看現在把它定義為一個后摩爾時代,我個人覺得如果從摩爾當時的定義,從這兩條曲線可以看到,紅色的是英特爾的,另外一條是臺積電的,我們可以看到從22納米一路走過來,走到當今英特爾的10納米,與臺積電的7到5個納米,我們可以看出來,在一個平方毫米上的晶體管的數量達到1個億左右,如果走到7納米、5納米就可以到1.7個億每平方毫米,有1.7億的晶體管在里面。這說明什么問題呢?說明原來摩爾說的,每兩年晶體管的密度要翻一番,在這里顯然是做不到的,我們看到兩家龍頭企業做不到,所以基本上放棄每兩年晶體管密度加1倍的提法。所以我個人覺得,這是一個后摩爾時代的重要標志。
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另外一個標志,就是制造成本,我們把臺積電的數據拿出來看看,我們可以看到在0.13微米到28納米這個區間,成本的下降是非常厲害的,基本上可以跟隨摩爾定律的節奏。但是降到28納米以后,進入20納米節點的時候,我們可以看到制造成本的下降就非常艱難了,完全做不到成本下降了,質量不變。所以我覺得這兩個應該是后摩爾時代的特征。
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后摩爾時代的挑戰和機遇是什么呢?我跟大家分享一下,下面是一張網上下載的圖,從這張圖我們可以看到集成電路的性能提升,從1978年X軸的最左邊一直延伸到,這個數據是2018年,我們可以看到在2002年以前,晶體管、集成電路的性能每年提升52%,后來每年可以提升23%,到2010年以后,每年提升12%,但是到2014年以后,我們的性能提升就只有3.5%,所以每年的性能提升已經達到一個飽和的狀態,再也不能像以前這樣性能提升1倍,就很難持續下去。這是從技術層面來看它應該也是一個后摩爾時代的標志。
圖片3.png那么在后摩爾時代帶來一些挑戰,有它的一些特點,大家比較看好的技術會走得比較泛寬一點,我個人覺得是叫泛摩爾定律,在后摩爾時代要走的技術基本上呈現了一下幾個特點:
1、技術方向很不清楚,各走各有的途徑,八仙過海,各顯神通;2、大家放棄了對一個特征線條單一參數的追求,不用去追求一個單一的特征;3、應用場景更寬,因為從現在無論是大數據、5G通訊等等,它的應用是上天入地,日常生活不所不在;4、市場碎片化,沒有一個明顯的壟斷,比如說我們來一個可穿戴的產品,比如智能手表,就很難說哪個是最壟斷的,沒有,因為各有各的特點,各有各的功能,各有各的需求;5、研發經費相對來說低廉,因為你如果不去追求單一特征尺寸的話,不會動輒幾個億,多則幾十個億的美金要投進去,不是這樣的,因為后摩爾時代一些小眾的產品在市場上挺有生存空間的。
圖片4.png機遇就是:1、既然技術發展方向不那么明確,創新的空間很大;2、設備和其他條件沒有那么苛刻。3、市場空間很大;4、對中小企業的成長很有利;5、產品研發起來比較容易啟動。
下面這張圖是后摩爾時代國內一家龍頭企業的財報,我們可以看出來,它整個收入的支撐點還是在55納米為基礎的,真正在高端上的支撐點還是非常小的比例。也就是說一些相對成熟的工藝,它的占比大概是80%,也就是說我們做一些相對成熟的工藝,其實有很大的市場和創新空間。
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在整個制造中間,我自己本人也是最近兩年才到教育系統,到浙江大學從事教育工作,我前面的時間都是在企業里或者在研究所,從事一些研究、技術開發工作。到大學以后,我就把浙江大學的微電子學院的講義和教材翻出來看了一下,其實這個講義和教材,北大、清華一些微電子的教材都是大同小異,差不多都是這個樣子,反正有幾十門課。但是你仔細一看,里面的教材
90%以上都是講設計的。剛才少軍介紹說我們國家的產業發展最短的短板還是在制造上,但是從我們國家教育系統來看,也就是不到10%的教材是在講制造方面的事情,基本上我們的微電子學院都是講設計,講制造非常少。

但實際上這個短板里面的核心是什么?就是集成電路的工藝,就是要把這個晶體管做到硅里面去,下面這張示意圖的最下層是由成千上萬個晶體管,通過各種各樣的導體,把它連出來,再通過很長的銅線把晶體管連接起來,就形成了這樣一個集成電路芯片的基本結構。
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在制造過程中間,流程非常長。舉個例子,如果做28納米的制造,它的工藝流程非常長,整個流程大概有1000多步,其中最復雜的、最具挑戰的大概是前段工藝,它的工藝流程大概有一半是前段工藝的一些技術。我們可以看到,所謂的前端工藝就是要把晶體管做出來。晶體管做完以后,我們就要把這些晶體管連接起來,形成所謂的后段工藝,就是把晶體管連接的工藝,從130納米以后這個連接技術就是由銅來連接,而不是由鋁。在連接里面,雖然它的花樣,它的種類沒有那么多,基本上就是薄膜、光刻來回做,因為取決于銅有多少層的固定層,通?,F在的都是10多層,就反復做。所以整個來看,后段的工藝所涉及到的學科基本上以材料科學為主,前段工藝在晶體管制作中間實際上就是固體物理的東西,這兩段對于學科的要求是不一樣的。
剛才很長的工藝流程中間,我們拿出來三個工藝模塊,我們可以看到,做圖形的那一部分,就是光刻和刻蝕上面,我們所涉及到它的物理學,包括里面的光學、等離子體、表面物理等等,還涉及到數學、化學、材料、精細化工等等很多學科都會卷進來。做薄膜工藝的時候所涉及到的也有很多學科,包括摩擦學都會進來,因為在CNP里頭有相當多摩擦學的基本概念在里頭。像阱的制備,加速器物理等等都會涉及進來。所以整個交叉學科在工藝里面的體現是非常明顯的,集中體現了交叉學科的體征。
從這里我要強調一下,我們做芯片制造,其實最大的特點就是要有成套工藝,而不是某一段工藝,剛才我說的1000步工藝,并不是說其中幾步工藝,所以我覺得成套工藝是我們芯片制造的核心的核心,也是我們產業水平的標準。所謂成套工藝就是我們首先要工藝流程設計,關鍵的工藝設備的驗證,關鍵工藝模塊的開發,最后把模塊里面的工藝參數的優化,優化以后最重要的一步把它成套集成起來,就形成一個天衣無縫的組合,就做成一個我們需要的芯片。
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整個這個流程過程中間,我們可以看到,像產業里面的一些終極目標就是它的良率提升,不管你是新企業、老企業、大企業、小企業永恒的目標和挑戰,就是良率提升技術,這就相當于一個產業的共性技術。

下面是我前幾天畫的一張圖,我想表明這樣一個意思,我們在集成電路芯片制造里面有很多學科,從數學、物理、化學、化工、計算機等等很多學科,但是這些零零散散分布在理工科高校里面的這么多學科,只有通過一個成套工藝的集成這么一個載體,才能把它形成一個產品,產生它的價值。正是通過成套工藝,我們形成產品的過程中可以關注一些產業的共性技術,比如工藝集成的優化、良率提升,包括現在想做的虛擬制造等等,像這些工藝技術缺少了成套工藝是沒有結果的。
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所以,現在我們看到國內有很多平臺,都說對產業的共性技術進行研究,但是個人覺得,脫離了成套工藝,對產業技術所謂的共性研究是很難的,必須依托成套工藝,才能在制造的共性技術上有所支撐。

我舉個例子,作為交叉學科,我們在用等離子體物理的基本概念用一些刻蝕的,比如我剛才提到的,我們需要用銅,銅不能刻蝕,它是非揮發性的,是惰性非常好的材料,一般的刻蝕沒法驚醒。于是我們想起我們老祖宗景泰藍的辦法,在陶瓷上拉個圖形出來,把銅嵌入進去,最后用沙皮打一打,就是我們景泰藍,我們有上千年的歷史,很遺憾那個時候我們沒有形成專利。IBM大概在30年前,把制造銅,只能是在介質里面,挖了溝以后,把銅填進去。在這個體系里面,我舉個例子,比如說我們等離子體物理的基本概念怎么用起來呢?我們看在銅的連接線里面,我們通常會打個通孔,把通孔的BUG填進去,最后把溝槽蝕刻,最后再把銅填進去,通過這樣的流程把后面的銅通點做出來。
在整個流程中間,我們通過等離子體的刻蝕,把這個通孔做出來的時候,就需要通孔在刻蝕的過程中,在底部形成的曲面是凸形的,而不是凹形的,這樣的話可以提升良率。于是我們希望等離子刻蝕的時候,希望這個離子進入通孔以后是發散的,使得離子軌道發生變化了,只能增加表面電荷。我們通過一些等離子體物理的特征,把它表面電荷增強以后,形成了右下角的圖形刻蝕的剖面。這個技術土地通過有物理背景,通過等離子物理的運用,于是我們想到等離子可以控制地層的剖面,控制剖面的時候,現在最流行的我們知道雙曝光,在這個過程中是不是可以利用等離子體對刻蝕表面控制的特征,目前形成這個過程的途徑很多,我們覺得也許通過等離子物理的基本概念運用,可以得到這個過程。
舉這個例子,就是給大家演示,一些學科在成套工藝流程中間,有很多發明點,很多創新點。
既然整個工藝流程那么復雜,通過一個企業或者一個單位來做是不現實的,所以我們必須通過國內頂尖的企業,頂尖的高校,頂尖的研究所,我們一起來做這個集成電路產學研三位一體的發展,就是產學研。比如說必須要加強集成電路產業和科研的關系,以及科研和教學的關系,教學和集成電路產業的關系。因為這個產業呈現了三大特點,第一個是產業鏈特別長,不是某一個專業可以涵蓋的;第二個,從教學上來看,因為它的學科太交叉,不是一個系、一個學院搞得定的,通常是一個理工科大學里面很多行業都可以卷進去;第三個,科研特點,它的領域特別寬,產業化的難度非常大,盡管我們看到很多核心技術突破,真正對產業支撐的少之又少。
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既然這么難做?我們產學研的合作,尤其是譬如科研跟產業的合作這一塊有個共同區,教學跟產業的合作、科研跟教學的合作,都要加強起來。核心就是產學研中間有個三角區,就是產業和科研、教學的公共區域,我們需要增強,因為在這個區域里面才能對三個方面都是可以出得上力,可以對產業有所貢獻。

在這個思路下,我們在浙江大學做了一條生產線,一定要做成套工藝的公共平臺,因為缺少了成套工藝,做產業的共性技術研發,我覺得是不可思議的,是很難的。在這個平臺上,我們定位為一個12寸55納米的試驗線,這條線上最大的特點是設計制造一體化,因為原來浙江大學的設計能力還是比較強的,也對國家的產業做了很多貢獻,我們把制造跟設計一體化,融為一體,對我們的產業可以做很多共性技術的研究。
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另外,我們可以做個新工科學院的建設,讓學生和老師有一個產教融合的平臺,有個實習場景,我們可以想像,我在想,如果我們全國的集成電路專業學生、微電子的專業學生,大概現在是
8、9千人,如果有機會把每個學生畢業之前能夠到這個平臺上,從設計制造走一下,我覺得對我們的學生培養一定是非常有好處的。所以我想這個新工科的建設,一定有它很好的前景。

另外,因為這是一條很小的線,它可以對我們的新產品、新材料、新裝備提供一個試驗的場所,因為你做一個新的材料、新的裝備,脫離了成套工藝的支撐,你這個新的東西怎么才能用起來呢?所以這對國家產業鏈的發展一定有很大支撐作用的。
其實我今天講的核心,我總覺得我們國家的集成電路對產業引領上還要大大加強,我們老是說我們的國家集成電路起點低,發展晚,其實不對,我們發展得很早,我們中國的第一塊硅單晶1958就做出來了,第一塊硅集成電路誕生是1965年,當時跟世界的差距也不大。但是隨著產能到1000萬塊,1億塊,或者6億塊,到最后我們跟世界產業的先進技術水平差距就差了將近20年。所以就是產業引領,在我們整個集成電路領域里面,我覺得是不夠。所以我始終認為,我們做研究只是手段,目的就是產業化,現在的王道就是產能,這其實是關聯的。
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我剛才說,我們的產業引領做得不是很夠,我們的產能提升這個王道沒有抓住,導致的后果就是最近
7年,《集成電路產業推進綱要》頒布有7年了,這7年以來,國內的芯片市場上的國產化率反而更小了,進口率反而變大了,這個數據我看到以后,心里就覺得很別扭,我們推進綱要出來7年了,但是芯片的國產化率沒有上來,我總覺得是對“科研是手段,產業是目的,產能是王道”理解不夠。

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從產能來看,美國的產能近幾年來一直在下降,歐洲也是在下降,日本基本上是維持,韓國和我們的臺灣地區,產能在最近上升得很快,但是到
2020年以后,預測產能提升不會那么快,就是我們中國的產能提升必須要加強。在我們先進技術還沒有達到頂尖水平的時候,產能是不能放棄的。所以我覺得產能為王,大家現在已經看到這個結果了,對我們國家的影響真是非常大。所以現在說集成電路發展過熱之類的,這個說法也未必正確,過熱是因為爛尾樓的工程顯得很過熱,其實你要選到好的產品和方向,我們集成電路的需求是很大的,完全可以大大發展,核心就是說我們要尋找合適的方向,找到自己能做的事情嵌入進去。

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總之,我國的集成電路芯片發展是非常艱辛的,后摩爾時代發展節奏下來了,給我們追趕者一個機會。我要強調的就是芯片的成套工藝是提供交叉學科發展的舞臺,只有通過這個舞臺,交叉學科才能體現它的價值。所以在產業引領方面,我覺得政府的各有關部門真的要重視,其實產業引領比科學引領更重要?;仡櫦呻娐钒l展60年的歷史,我們的科學技術在50年代也是蠻可以的,但是產業沒有跟上去。
最后,再強調一下:科研是手段,產業是目的,產能是王道。


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