焦 叢， 王龍奇

(1. 中國電子科學(xué)研究院， 北京 100041; 2.中國電科發(fā)展戰(zhàn)略研究中心， 北京 100043)

0 引 言

人類社會正在邁進(jìn)全新的信息時代，電子基礎(chǔ)技術(shù)在可追溯的過去和可預(yù)見的未來，都扮演著至關(guān)重要的角色。2021年全球電子基礎(chǔ)器件普遍短缺，凸顯了電子基礎(chǔ)技術(shù)在當(dāng)今社會中的不可或缺性，也加速著全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的重塑。作為當(dāng)下最受矚目的熱門產(chǎn)業(yè)，美國、歐洲、英國、韓國等國家持續(xù)布局，一些關(guān)鍵技術(shù)獲得重大突破；以半導(dǎo)體為代表的電子基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展核心驅(qū)動因素逐漸轉(zhuǎn)變，協(xié)同發(fā)展趨勢更加明顯；隨著摩爾定律逐步走向終結(jié)，集成電路在功率、帶寬、速度等方面逐漸逼近性能極限，先進(jìn)封裝、新材料、新架構(gòu)成為延續(xù)摩爾定律的有效支撐。

1 大國持續(xù)布局前沿微電子技術(shù)，部分技術(shù)實現(xiàn)重要突破

微電子技術(shù)的重要性與日俱增，目前世界各國都在積極布局發(fā)力，包括EDA設(shè)計工具、核心IP、前沿材料、高端半導(dǎo)體制造設(shè)備等。2021年3月，歐盟發(fā)布《2030年數(shù)字指南針：歐洲十年數(shù)字化之路》，為未來10年的發(fā)展提出最新目標(biāo)“至2030年，歐洲先進(jìn)和可持續(xù)半導(dǎo)體的生產(chǎn)總值將至少占全球生產(chǎn)總值的20%；攻克2 nm工藝，能效至少翻10倍”[1]；5月，韓國政府和芯片企業(yè)宣布計劃在未來十年內(nèi)斥資約510萬億韓元(約合2.9萬億人民幣)，建立全球最大的芯片制造基地，以爭奪全球范圍內(nèi)的芯片主導(dǎo)地位；6月，美參議院表決通過《2021年美國創(chuàng)新與競爭法案》，撥款527億美元設(shè)立“美國芯片基金”“美國芯片國防基金”和“美國芯片國際技術(shù)安全與創(chuàng)新基金”，用于激勵美國本土芯片的研發(fā)與生產(chǎn)；9月，歐盟宣布將設(shè)立新的《歐洲芯片法案》；11月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省召開第四次“半導(dǎo)體與數(shù)字產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略研討會”，提出有關(guān)強化日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的“三步走”實施方案。

在各國積極推進(jìn)下，部分關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)重要突破。1月，美國麻省理工學(xué)院與格芯公司合作，實現(xiàn)全硅基光電融合突破性進(jìn)展，設(shè)計出一種微米級大小正向偏置全硅基發(fā)光二極管(LED)，在完全集成于55 nm商用芯片基礎(chǔ)上實現(xiàn)了低電壓、高速高亮的近紅外發(fā)光，其發(fā)光強度和調(diào)制解調(diào)速度可同時達(dá)此前記錄的十倍以上；3月，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)與加拿大公司聯(lián)合開發(fā)出一種可編程的光量子芯片，可在室溫下與顯微諧振器一起工作，能執(zhí)行連續(xù)可變量子計算；4月，美國Cerabras公司推出一款名為“Wafer Scale Engine 2”的AI芯片，采用7 nm工藝，具有2.6萬億個晶體管，可更快地處理信息，加速AI運算；5月，IBM公司發(fā)布了世界首個2 nm芯片制造工藝，每平方毫米集成3.33億個晶體管，相比7 nm芯片，同功率下性能提升45%，功耗減少75%，是迄今為止集成度最高、功能最強大的芯片。

2 半導(dǎo)體技術(shù)趨同發(fā)展更加明顯

科技已經(jīng)成為大國競爭博弈主戰(zhàn)場，半導(dǎo)體技術(shù)尤甚。美國聯(lián)合盟友主導(dǎo)成立美國半導(dǎo)體聯(lián)盟，歐洲開展半導(dǎo)體自主計劃，韓國發(fā)布“K半導(dǎo)體”計劃，印度軍工巨頭進(jìn)軍半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)等，表明全球半導(dǎo)體領(lǐng)域的全面競爭已經(jīng)開啟。軍用和商用半導(dǎo)體都是半導(dǎo)體生態(tài)體系的有機組成部分，堅實的工業(yè)基礎(chǔ)可為軍用半導(dǎo)體成長提供優(yōu)質(zhì)土壤，軍用技術(shù)研發(fā)又常常是工業(yè)化的種子，二者相輔相成。

一些軍用項目，如DARPA于2021年7月啟動的“基于快速事件的神經(jīng)形態(tài)相機和電子”(FENCE)項目，已成為發(fā)展新架構(gòu)的重要引擎之一，可推動商業(yè)技術(shù)向前發(fā)展。目前，在先進(jìn)微電子技術(shù)方面，呈現(xiàn)一定趨同性：一是通過半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)信息與通信技術(shù)(ICT)對信息的泛在、無縫感知和通信能力；二是通過開發(fā)神經(jīng)啟發(fā)計算、存內(nèi)計算等新計算架構(gòu)，突破馮·諾伊曼架構(gòu)能效限制；三是利用Chiplet等異構(gòu)集成的系統(tǒng)封裝技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)有工藝水平的性能提升等。在2021年10月召開的第四屆“電子復(fù)興計劃”峰會上，與會專家強調(diào)“電子復(fù)興計劃”將進(jìn)入2.0時代，工作重點轉(zhuǎn)為促進(jìn)國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)參與相關(guān)前沿兩用項目研究，推動先進(jìn)技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域和國防領(lǐng)域的雙向應(yīng)用，為計算效率、異構(gòu)集成、硬件安全、電子設(shè)計、人工智能組件、安全通信等領(lǐng)域提供能力提升[2]。

3 芯片持續(xù)短缺，加速全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈重塑

2021年，受疫情、火災(zāi)、停電和干旱等意外因素影響，芯片短缺狀況進(jìn)一步加劇，呈持續(xù)蔓延之勢，其中電源管理芯片和微控制器芯片交付時間的增長尤為明顯。世界各國也逐步認(rèn)識到半導(dǎo)體供應(yīng)鏈面臨的危機和挑戰(zhàn)，由此加速了全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的重塑。

2021年2月24日，拜登政府發(fā)布行政命令，對半導(dǎo)體芯片、藥品及藥物成分、稀土等關(guān)鍵礦物質(zhì)、高容量電池等4類關(guān)鍵產(chǎn)品供應(yīng)鏈進(jìn)行審查和風(fēng)險評估；4月12日、5月20日、9月23日，美國白宮先后三次召開會議，議題均集中在如何解決芯片短缺與美國半導(dǎo)體供應(yīng)鏈彈性與安全問題。尤為值得注意的是在第三次會議上，白宮要求相關(guān)企業(yè)在接下來的45天內(nèi)提供其在美國的供應(yīng)鏈信息，包括芯片庫存、訂單和銷售記錄等，以提高芯片供應(yīng)透明度。截止2021年11月9日，已有37家國際企業(yè)與機構(gòu)完成信息提交，包括臺積電、聯(lián)電、格芯、日月光、英飛凌、瑞薩、美光、鎧俠、西部數(shù)據(jù)等，其中臺積電提交了三份檔案，包含公開表格一份，涉及商業(yè)機密的非公開檔案兩份；4月，印度提出要向每家在該國設(shè)立制造部門的公司提供超10億美元現(xiàn)金資助，以加強其本國電子產(chǎn)品供應(yīng)鏈；4月，美國和日本政府達(dá)成共識，將合作保障半導(dǎo)體等戰(zhàn)略科技組件供應(yīng)鏈的安全，雙方計劃建立工作組，在半導(dǎo)體研發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域進(jìn)行分工，并將討論在日本建立聯(lián)合研究基地以研發(fā)新技術(shù)的可能性；5月，韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部對外宣布，全球光刻機龍頭阿斯麥(ASML)公司計劃在韓國建設(shè)光刻設(shè)備再制造工廠及培訓(xùn)中心，新廠預(yù)計于2025年完成建設(shè)；6月，日本政府宣布將為臺積電公司在日本的芯片研發(fā)中心提供約1.7億美元資助金，該中心于2022年正式啟動；10月，德國博世公司宣布投資4億歐元，作為該公司2022年在德國和馬來西亞的芯產(chǎn)投資，以緩解其供應(yīng)鏈壓力。

4 半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展核心驅(qū)動因素轉(zhuǎn)變

過去10年，全球半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新催生了一系列變革性技術(shù)發(fā)展，包括5G、人工智能(AI)、自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)等；未來10年，晶體管縮放帶來的計算能力的增長趨于平緩，驅(qū)動半導(dǎo)體發(fā)展的因素將演化成三方面：一是應(yīng)用驅(qū)動，如被動傳感、自適應(yīng)電子戰(zhàn)等；二是技術(shù)驅(qū)動，如新式計算、先進(jìn)制造和原型設(shè)計；三是工業(yè)驅(qū)動，如制造業(yè)回流、新興應(yīng)用需求的激增等。其中，新興應(yīng)用將成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最重要推力之一。

例如，隨著人工智能在各個領(lǐng)域加速應(yīng)用，增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、語音和面部識別技術(shù)、計算機視覺和自然語言處理等需要高處理速度和專用組件來執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，加速了芯片智能處理技術(shù)的發(fā)展。麥肯錫的一項研究報告預(yù)測，未來幾年與人工智能相關(guān)的半導(dǎo)體可能會增長18%；人工智能半導(dǎo)體將占半導(dǎo)體整體需求的20%。又如，物聯(lián)網(wǎng)目前也已應(yīng)用于智慧城市、供應(yīng)鏈管理、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)以及消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域，全球目前已有超過 117 億臺物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，預(yù)計到2025年將增至300億臺，這將極大推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

5 先進(jìn)封裝技術(shù)有望成為摩爾定律延續(xù)的有效支撐

摩爾定律仍然有效，但推進(jìn)速度趨緩，發(fā)展逐漸面臨瓶頸。在此背景下，Chiplet(小芯片)、異質(zhì)/異構(gòu)集成等先進(jìn)封裝技術(shù)的重要性日益凸顯。通過先進(jìn)封裝，研發(fā)人員能夠在硅基上添加新材料和器件，并創(chuàng)建專用結(jié)構(gòu)和功能，以滿足商業(yè)和國防部門的個性化需求[3]。

6月，比利時微電子研究中心成功實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的晶圓級集成；7月，英特爾宣布推出Foveros Direct，以實現(xiàn)10 μm以下的凸點間距，使3D堆疊的互連密度提高一個數(shù)量級；9月，臺積電推出新型封裝技術(shù)——緊湊型通用光子引擎(COUPE)，將多種引擎與多種計算和控制ASIC集成在同一封裝載板或中間器件上，縮小組件距離、提高帶寬和功率效率；10月，在第四屆“電子復(fù)興計劃”峰會上，幾乎每位行業(yè)領(lǐng)袖都談及先進(jìn)封裝，指出先進(jìn)封裝將成為摩爾定律延續(xù)的重要驅(qū)動；12月，英特爾與意大利政府進(jìn)行談判，計劃將在當(dāng)?shù)嘏d建先進(jìn)封裝廠，投資規(guī)模或達(dá)80億歐元。

后摩爾時代，先進(jìn)封裝是電子產(chǎn)品小型化、多功能化、降低功耗的重要手段，未來將驅(qū)動集成電路向高性能、高密度方向進(jìn)一步發(fā)展。

6 新材料和新架構(gòu)成為前瞻性研究的重點

隨著制程工藝的發(fā)展，晶體管尺寸已逼近工藝極限和物理極限，進(jìn)一步微縮已難以為繼，必須尋求新技術(shù)來取得突破，新材料、新架構(gòu)成為發(fā)展重點。一是新材料技術(shù)技術(shù)加速發(fā)展，正向產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。2月，歐盟的“二維實驗性試產(chǎn)線”項目開發(fā)出基于二維材料的電子/光子原型器件并實現(xiàn)小批量生產(chǎn)；5月，臺積電與麻省理工學(xué)院演示了首個利用半金屬鉍作為接觸電極的二硫化鉬晶體管，使接觸電阻降低至量子極限，并顯著提高了開態(tài)電流；6月，日本NCT公司宣布4英寸氧化鎵外延晶圓實現(xiàn)量產(chǎn)，器件良率超70%；12月，Intel展示世界上第一個在室溫下實現(xiàn)磁電自旋軌道(MESO)邏輯器件，表明了基于開關(guān)納米磁體的新型晶體管的制造可行性。二是新型計算架構(gòu)創(chuàng)新發(fā)展。2月，三星公司公布名為“高帶寬-內(nèi)存計算”(High-bandwidth memory，processing-in-memory,HBM-PIM)的存儲器架構(gòu)，該架構(gòu)可將聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的一些運算工作分流到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，減輕CPU的處理負(fù)擔(dān)，提高處理速度；7月，ARM公司開發(fā)出32比特的柔性微處理器“PlasticARM”，有望推動低成本、全柔性智能集成系統(tǒng)的發(fā)展；10月，德國馬克斯·普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所開發(fā)出一種用于神經(jīng)擬態(tài)計算的新型記憶電容器器件，能在8位精度下達(dá)到超過3 500 TOPS/W(TOPS/W用于度量在1 W功耗的情況下，處理器能進(jìn)行多少萬億次操作)，超越其他現(xiàn)有的憶阻器方法最高300倍；10月，英特爾公司發(fā)布其首款7 nm神經(jīng)擬態(tài)芯片“Loihi 2”，可模擬100萬個神經(jīng)元，相比前代芯片面積縮小了一半，處理速度是前代的10倍。

智能手機、人工智能、仿生機器人、物聯(lián)網(wǎng)、MEMS等應(yīng)用的飛速發(fā)展，對電子基礎(chǔ)技術(shù)的要求變得更加復(fù)雜，包括定制、集成、可升級、低功耗、低成本，而非僅僅更小、更密、更快。后摩爾時代電子基礎(chǔ)技術(shù)將向如下幾個方向發(fā)展，一是系統(tǒng)性，在單顆芯片上實現(xiàn)系統(tǒng)功能，包括電源、處理器、存儲器、傳感器、無源元件、發(fā)射器和接收器等；二是集成性，淡化對線寬和尺寸的追求，轉(zhuǎn)而將異質(zhì)/異構(gòu)的數(shù)字和非數(shù)字功能集成在一起，發(fā)展出多種結(jié)構(gòu)和功能；三是材料多樣性，應(yīng)用材料從傳統(tǒng)的硅鍺材料，延伸到磁性材料、有機材料、二維材料，甚至生物材料等。

7 結(jié) 語

2021年，大國競爭愈發(fā)激烈，軍事強國間科技博弈逐步升級，電子基礎(chǔ)技術(shù)的重要性日益凸顯。同時，疫情的持續(xù)肆虐對全球產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈帶來沖擊，加速全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的重塑。在此背景下，各國紛紛加強對電子基礎(chǔ)領(lǐng)域的戰(zhàn)略部署，推動關(guān)鍵技術(shù)突破、以期利用先進(jìn)封裝、新材料與新架構(gòu)的前沿技術(shù)成果，實現(xiàn)摩爾定律的延續(xù)，驅(qū)動集成電路向高性能、高密度方向進(jìn)一步發(fā)展，繼而推動軍事電子裝備朝向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化演進(jìn)。