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來源：智東西 8月18日報道，今日，2022 世界半導體大會暨南京國際半導體博覽會在南京開幕，中科院院士、深圳大學校長毛軍發在開幕式暨高端論壇上發表主題演講。 在簡要回顧集成電路的定義、發展簡史及我國落后原因后，毛軍發院士著重分享了集成系統的發展趨勢和挑戰，以及應重點關注的 4 個關鍵科技問題。 
毛軍發院士認為：“過去 60 年是集成電路的時代，未來 60 年是集成系統的時代。”他提到隨著摩爾定律面臨極限挑戰、轉折點臨近，半導體技術將從電路集成走向系統集成的發展新路徑，這為我國變道超車發展提供了歷史機遇。 一、EDA、裝備、器件與電路落后成因 集成電路（IC）是將晶體管、電阻、電容和電感等元器件及互連線制作（集成）在一小塊半導體晶片或介質基片上，形成具有預期功能的電路。 所有元器件在結構上組成一個整體，使電路向著高密度、大規模、小型化、低功耗、低成本和高可靠性方向發展。
集成電路是一個國家綜合科技實力乃至綜合國力的反映，是“有錢也買不到”的被“卡脖子”的關鍵高科技賽道，中國每年都花費巨資進口集成電路，高端芯片基本依賴進口。 回溯我國集成電路落后的原因，既有先進技術受西方封鎖，也有此前曾有一段發展階段瞻前顧后，產學研脫節。 具體到細分領域，EDA 落后的主要原因是研發算法的較多，但很零散，沒有規劃、集成；大型軟件工程能力較弱，經驗較少，用戶不愿意用國產軟件工具，惡性循環。 半導體裝備落后則主要是受整體能力和市場環境等多方面因素影響。器件與電路落后的原因包括材料落后，工藝的精細度、穩定性不足，缺工匠精神和工藝大師。 現階段，我國集成電路急需大批的高端人才。 二、“未來 60 年是集成系統的時代” 當前集成電路行業的發展方向包括延續摩爾定律（More Moore）和繞道摩爾定律（More than Moore），前者面臨物理原理極限、技術手段極限、經濟成本極限等挑戰，后者的主流趨勢有 chiplet、異質異構、集成系統等。 毛軍發院士判斷，過去 60 年是集成電路（IC）的時代，而未來 60 年是集成系統（IS）的時代。 他談道，集成電路（芯片）只是手段，微電子系統才是目的。集成系統從系統角度進行一體化設計制作，將各種芯片、傳感器、元器件、天線、互連線等制作集成在一個基板上，形成具有預期功能的系統，所有芯片和元器件在結構上組成一個整體，使系統高密度、小型化、強功能、低功耗、低成本、高可靠、易設計、易制作。 這種思路，可以進一步提高系統的設計效率和綜合性能，減少系統的成本，增加其可靠性，并降低對芯片設計以及設備的要求。
實現從集成電路到集成系統的跨越有三點意義，是復雜微系統集成技術發展的新途徑、后摩爾時代集成電路發展的新方向，也是半導體技術變道超車的發展新機遇。 小芯片或晶粒（chiplet）技術就是一種特殊的集成系統概念，它將單一先進工藝的大芯片分解成多個特征模塊，每個模塊（小芯片）用各自最適合的工藝實現。小芯片技術與 SoC 逆向思維：SoC 將半導體 IP 平面集成在一個芯片里，SoIC 則是將多個 chiplet 以 3D 堆疊集成。 當前集成電路前道設計加工與后道封裝逐步收斂融合。封裝集成技術的重心正慢慢從傳統后端封裝移到前端半導體代工。 中國臺灣晶圓代工龍頭企業臺積電的 3DFabric 平臺的 SoIC 采用最先進封裝互連技術 Hybrid Bonding，堆疊芯片間互連間距可以小到亞微米。目前臺積電已實現用 3DFabric 完成 12 層堆疊 SoIC。 如果臺積電助推的 3DFabric，特別是 SoIC，成為下一代芯片系統的主流技術，那么臺積電將在半導體行業更加強勢，而中國大陸原本代工較弱、封裝較強的局面將變成代工和封裝都落后。 另一個集成系統的例子是封裝中天線（AiP）技術。AiP 是指包含無線芯片的封裝結構中（上）實現的天線，相比于普通分立天線，AIP 具有更好的系統性能、更小的 PCB 面積、更低的成本，以及更短的研發周期。 第三個例子是多功能無源元件技術。電子系統中包含大量的無源元件，不同功能元件、天線級聯需大量轉接，引入了額外的損耗與體積；將多種元件結合為協同設計的多功能元件，則能顯著減少系統所需元件和轉接個數，降低插損，實現小型化。 三、集成系統面臨 4 個關鍵科技問題 半導體異質集成技術是集成系統的最有力技術手段，能突破單一工藝的功能與性能極限，實現更強的復雜性能、優異的綜合性能。
它將不同工藝節點的化合物半導體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成度器件或芯片，與無源元件或天線，通過異質鍵合或外延生長等方式集成而實現集成電路或系統的技術。 在毛軍發院士看來，集成系統正面臨 4 個關鍵科技問題。 首先是集成系統體系架構，包括界定集成系統的功能與性能，并進行結構分解；芯片及各類元器件種類的確定，集成工藝選擇；集成系統的布局，互連方式與標準。
第二是自動化智能化協同設計，既包括電磁-熱-應力多物理協同設計，有源 / 無源電路 / 天線及數字、模擬、射頻電路的多功能協同設計，也包括 IP、IPD、PDK、chiplet 等復用。 第三是異質界面生成與工藝量化調控機理。集成系統工藝參數調整受制于電、熱、應力等多物理場特性。因晶格、膨脹系數差異，需建立異質界面動力學，認識擴散、成核、粘合機理，通過界面調控融合，實現高可靠異質集成。 第四是無源元件、天線小型化，這對整個射頻集成系統至關重要。無源元件最多可占射頻電子系統元件總數的 90%，系統總面積的 80%，面積、工藝與芯片差異大。由于射頻損耗、電磁兼容與熱問題，給小型化與性能提高帶來挑戰，需突破傳統思路，提出新的工作機理和設計理論。 結語：國內外均在加緊集成系統相關技術攻關 毛軍發院士分享說，目前集成系統的集成度、工作速度正不斷提高，同時面臨多物理調控、多性能協同、多材質融合這三個主要挑戰。
國內外在政策與產業方面均將集成系統相關技術視作重要發展方向。美國在 2018 年啟動的聯合大學微電子計劃和電子復興計劃，重點均包括異質集成。國內上海交通大學、中電集團、中科院、長電科技等產學研機構也在開展系統封裝研究。此外日本、韓國、新加坡等地均有異質集成相關研究的計劃。臺積電、英特爾、IBM、三星等國內外半導體大廠均在做 3D 封裝集成研究。 |
