集成電路前沿技術趨勢研判及對北京的啟示

朱 晶

(1.北京國際工程咨詢有限公司，北京 100055；2.北京半導體行業協會，北京 100191)

0 引言

當前集成電路作為關系國民經濟和社會發展的基礎性、先導性和戰略性產業，已經成為先進國家對我國全方位“戰略打擊”一張重要的“牌”，因此無論是國家安全、全球競爭還是社會發展，都迫切需要集成電路領域的重大突破來提供強大支撐。而集成電路新一輪科技革新正進入關鍵時期，以前沿技術、顛覆性技術為核心的布局有可能對集成電路產業具有另辟蹊徑的變革性意義，日益受到社會各屆和國家的高度關注。北京作為國內集成電路科研創新資源最為集中的創新策源地，應該在產業前沿和顛覆性創新上下足功夫，著眼長遠超前部署集成電路國際前沿技術,為解決事關長遠發展的問題提供戰略性技術儲備，推動北京在助力我國加快實現科技自立自強上發揮引領作用。

1 對集成電路前沿技術發展趨勢的研判

當前，摩爾定律雖仍在延續，但晶體管微小型化的平面布局逼近物理與工藝極限，技術升級明顯放緩，以硅為主體的經典晶體管難以維持集成電路產業的可持續發展。而基于新材料和工藝、三維異構集成、開源新架構等多個領域前沿技術創新成為突破方向，將持續推動集成電路產業的變革。

1.1 從各國發布的集成電路領域重大科研計劃看技術發展趨勢

當前集成電路已經成為各國競相角逐和儲備的戰略物資，為搶占經濟、軍事、安全、科研等領域的全方位優勢，各國紛紛采取一系列重大戰略規劃和政策措施全力搶占集成電路前沿核心技術領域的戰略制高點和關鍵技術控制權。

1.1.1 美國重點布局基礎架構、材料和異構集成領域

美國2017 年啟動由國防高級研究計劃局(DARPA)牽頭實施的電子復興計劃(ERI)[1-3]，第一階段重點面向集成電路下一代邏輯和存儲器件所需的候選材料和集成、架構、設計三個研發攻關方向部署。2020 年DARPA對ERI 計劃進行了更新，提出了四個關鍵的發展領域：三維異構集成、新材料和器件(面向集成電路下一代邏輯和存儲器件所需的候選材料)、專用功能(例如根據軟件需求進行調整的可重構物理架構、加速器組合架構等)、設計和安全。更新后的ERI 計劃在以前的三大方向基礎上進一步突出了前沿新技術領域的重要性。例如ERI 第二階段部署的首個項目“面向極端可擴展性的封裝光子(PIPES)”探索把光子學帶入芯片的技術。此外，下一代氮化鎵晶體管、超導電路設計工具、生物基半導體等技術也是美國政府關注的重點。表1 所示為美國ERI 計劃部分內容。

表1 美國ERI 計劃部分內容

1.1.2 歐洲積極布局工業半導體和先進工藝

歐洲正逐漸加大對半導體和集成電路開發的投資力度，2018 年歐盟委員通過了法、德、意、英四國共同提出的“微電子聯合研究創新項目”，用于研發與工業場景聯系緊密的芯片、集成電路、傳感器等創新性技術與元器件。重點研發高能效芯片、功率半導體、智能傳感器、先進的光學設備、替代硅的復合材料五大技術領域。2019 年，歐洲國家電子元件和系統領導地位聯合執行體(ECSEL JU)多年度戰略計劃(2020)中明確了四個重點研究方向：第一，開發先進的邏輯和存儲技術，以實現納米級集成和應用驅動性能，擴展傳統ICT 環境和更具挑戰性的條件(如低溫)；第二，開發異構片上系統(SoC)集成技術；第三，通過組合封裝中的異構構建塊，開發先進封裝和智能封裝系統(SiP)技術；第四，在半導體設備、材料和制造解決方案方面擴大世界領先地位，包括先進或新型半導體積木、符合摩爾定律的先進邏輯和存儲器技術以及異構集成技術。2020 年歐盟17 個國家共同簽署了《歐洲處理器和半導體科技計劃聯合聲明》，要在接下來的2～3 年時間內投入1 450 億歐元(折合約11 579 億元人民幣)的資金，用于研究2 nm 先進工藝制造、先進處理器等半導體技術，建立起歐洲獨有的先進的芯片設計以及產能。

1.1.3 日韓主要面向人工智能與半導體融合領域進行投資布局

日本出于對國際研發投資的危機感，2019 年初啟動了旨在支持顛覆性創新、復興科技創新立國的新項目——“登月型”研發項目。從解決未來日本國內外社會可能出現的問題角度，提出了面向2050 年的研發目標。主要與半導體相關的包括通用人工智能、容錯型通用量子計算機等支持方向。韓國近年來在集成電路和半導體領域連續出臺了多項重大科技計劃和一批具體科技政策，包括《研發投資系統創新方案》、《以人工智能強國為目標的人工智能半導體產業發展戰略》，以及為應對日本零部件出口限制的《材料、零部件、裝備2.0 戰略》等，將在未來10 年投資1.5 萬億韓元，以支持人工智能芯片合并存儲器和運算功能的存算內一體芯片研發。

1.1.4 中國臺灣重點發展光子集成電路、人工智能芯片和先進工藝

中國臺灣在2018 年啟動了四年40 億新臺幣的半導體“射月計劃”，主要面向人工智能場景所需的“前瞻感測元件、電路與系統”、“下一代存儲器設計”、“感知運算與人工智能芯片”、“物聯網系統與安全”、“無人機與AR/VR 應用元件、電路與系統”、“新興半導體制程、材料與元件技術(3 nm 及以下)”六大前沿領域。此外中國臺灣還在光子集成電路領域出臺了“硅光子與集成電路”專案研究計劃，積極整合臺灣在集成電路先進工藝及封測、光電產業上的優勢資源，研發硅光子主被動元器件、硅光集成電路與系統、工藝與封測量測等核心技術，建立硅光生態鏈及IP 布局。2020 年中國臺灣發布埃米(＜1 nm)世代半導體發展計劃(? 世代半導體-先端技術與產業鏈自主發展計劃)，計劃在2021-2025 年間，投入近43.72 億元新臺幣來探尋1 nm 以下產業方向，包括設備、儀器、材料與制程技術等瓶頸。

1.1.5 中國大陸加強后摩爾時代基礎技術研究的投入

我國在2019 年-2021 年連續三年發布“后摩爾時代新器件基礎研究”重大研究計劃，主要面向芯片自主發展的國家重大戰略需求，以芯片的基礎問題為核心，旨在針對后摩爾時代芯片技術的算力瓶頸，圍繞三個核心科學問題展開研究。一是研究CMOS 器件能耗邊界及突破機理；二是突破硅基速度極限的器件機制；三是研究超越經典馮·諾依曼架構能效的機制。

1.2 從Gartner 發布的技術成熟度曲線看技術發展趨勢

美國高德納咨詢(Gartner)公司提出的技術成熟度曲線(The Hype Cycle)是對各種新技術的一般發展模式的圖形描述[4]，是評估技術當前發展現狀和未來潛力的工具。

依據Gartner 在2020 年發布的新興半導體領域的技術成熟度曲線[5](如圖1 所示)，正處于萌芽期的技術包括氧化鎵晶體管、三進制邏輯系統、芯片級硅光互聯、神經形態/類腦器件、太赫茲通信等，業界對這些技術的期望值逐步攀升，但這些技術離主流應用尚遠，至少還需要5 年或10 年以上才能看到真正的市場需求和成熟的產品。

圖1 新興領域集成電路相關技術成熟度曲線[5]

處于炒作過熱期的技術包括新型晶體管 (例如環繞柵極晶體管GAA 或者負電容晶體管等)、無線電能量收集、毫米波、ReRAM 憶阻器以及深度學習專用集成電路、嵌入式AI 芯片、邊緣計算AI 芯片、eFPGA、RISC-V開源架構芯片等智能計算類芯片，硅基氮化鎵和SiC 等化合物半導體也處于炒作期。這些技術距離主流應用普遍在2～5 年間，只有硅基氮化鎵和ReRAM 憶阻器需要5～10 年，而量子計算芯片盡管距離主流應用還有10 年以上，也依然被過熱炒作。

由于當前產品的成熟度難以滿足過高的期望，一部分技術正處于幻想破滅期，人們對這些技術的關注度正快速降低，例如碳基的晶體管和碳基存儲器(NRAM)等。而可重構計算和軟件定義無線電、STT-MRAM、相變存儲器、傳感器融合正在遠離炒作而更快地進行技術改進以達到真正的市場需求，這些技術有望在2～5 年內成為主流應用。而碳基技術還需要再等5～10 年。

1.3 對集成電路前沿技術發展趨勢的研判

綜合各個集成電路先進國家及地區發布的集成電路領域重大科研計劃，以及美國高德納咨詢(Gartner)公司提出的新興領域集成電路相關技術成熟度曲線中重點關注的內容，可以總結出如下集成電路前沿技術發展趨勢。

1.3.1 磁性、碳基和二維材料等新材料創新備受關注

新材料將通過全新物理機制實現全新的邏輯、存儲及互聯概念和器件，推動半導體產業的革新。拓撲絕緣體、二維超導材料等能夠實現無損耗的電子和自旋輸運，可成為全新的高性能邏輯和互聯器件的基礎；新型磁性材料和新型阻變材料能夠帶來高性能磁性存儲器如MRAM和阻變存儲器。碳納米管、石墨烯等碳基材料的技術突破已可滿足大規模集成電路的制備要求，為柔性電子提供了更好的材料選擇。高質量的二維材料是潛在的下一代替代材料，但距離傳統半導體產業至少還有十年的時間。除石墨烯外，較有希望的二維材料包括二硒化鎢和二硫化鉬等過渡金屬二鹵化物，但仍處于初級研究階段[6]。

1.3.2 異質集成開拓摩爾時代新路徑

作為超越摩爾定律發展的重要途徑之一，異質集成技術已從多種不同材質芯片的二維三維封裝發展到在同一襯底上外延集成具有多種材料和結構的器件[7-10]。例如硅光異質集成，通過電子電路和光子電路的集成形成混合光電框架進行硬件革新，利用光的優異特性，如低延遲、低損耗、超寬頻帶、多維復用、波動特性等，與微電子技術結合，在硅襯底上巧妙構造軟硬件深度融合的光電計算體系，解決傳統微電子處理器在高速計算應用上的算力、能耗和輸入輸出瓶頸問題，將在通信、數據中心操作和云計算等領域具有重要的應用[11]。

1.3.3 計算架構呈現開源、異構化發展

以CPU為中心的傳統架構已經難以滿足當代海量數據處理的要求，面向人工智能、大數據時代的先進計算模式圍繞多核并行、異構并行、邊緣計算等體系架構創新而多路徑演進。計算存儲一體化在硬件架構方面的革新，存內計算架構將數據存儲單元和計算單元融合為一體，能顯著減少數據搬運，極大地提高計算并行度和能效，將突破人工智能算力瓶頸。軟硬系統垂直整合成為現下主流廠商布局焦點，通過軟件硬件的協同，提升系統應用性能[7，10]。以RISC-V為代表的開放指令集架構創新及其相應的開源SoC 芯片設計成為新風口，高級抽象硬件描述語言和基于IP 的模板化芯片設計方法將取代傳統芯片設計模式，更高效應對快速迭代、定制化與碎片化的芯片需求。

1.3.4 集成電路與多學科融合將拓展技術應用空間

集成電路作為信息應用實現的硬件載體，正不斷通過與生命、數理、材料、工程等多學科的交叉融合，拓展各類新興應用空間。以腦機接口為代表的神經技術的突破使得腦科學與集成電路之間的結合越來越緊密，腦機接口芯片對神經工程的發展起到了重要支撐與推動作用，幫助人類從更高維度空間進一步解析人類大腦的工作原理。腦機融合及其一體化已成為未來神經形態計算技術發展的一個重要趨勢。量子計算的工程化尚處于初始發展階段，其核心的量子芯片已嶄露頭角，超導、量子點(電子自旋)、微納光子系統、離子阱、金剛石5 種技術路線發展各具特色，總體向固態化、長相干時間和多量子比特方向發展，其中超導量子芯片和離子阱量子比特芯片更接近工程化[12]。

2 北京集成電路前沿領域主要研究進展和布局方向

北京市的科研創新資源聚集，擁有多所示范性微電子學院，高校、科研院所集成電路科研智力資源儲備雄厚，集聚了一批戰略性科技創新領軍人才及其高水平創新團隊，在集成電路前沿技術領域具備先導研發優勢。

2.1 北京集成電路領域主要科研團隊和成果

2.1.1 碳基材料與新型磁存儲領域全球領先

北京在碳基集成電路和新型磁存儲領域具備躋身國際領跑行列的優勢。北京大學彭練矛院士團隊全球首創高密度高純半導體碳納米管陣列薄膜晶圓制備技術，首次突破了超大規模碳管集成電路發展的材料瓶頸。基于該材料，首次展示了性能超過相同尺寸的硅基CMOS電路的碳納米管集成電路，在國際上保持至少兩年的技術領先優勢[13]。北京航空航天大學趙巍勝團隊發明的自旋協同矩效應可實現高速讀寫非易失自旋存儲器件[14]，是當前磁性存儲器(MRAM)領域的領先候選技術，已被列入格羅方德的MRAM 發展路線圖，IMEC 及英特爾等機構及企業也都基于該效應研制其新一代自旋存儲器。該團隊還成功制備出國內首個80 nm 自旋轉移矩-磁隨機存儲器器件(STT-MRAM)，相關關鍵參數達到國際領先，受到學術界與產業界的高度關注。

2.1.2 智能計算群體式躍升條件已初步具備

北京在先進智能計算芯片領域的基礎理論、關鍵技術方面、計算系統、企業布局方面已積累了一定量級的底層儲備，并且幾乎在專用深度學習處理器、存算一體芯片、可重構人工智能芯片、開源RISC-V 架構芯片等所有智能計算芯片的技術路線上都有布局，群體式躍升條件初步形成。清華大學魏少軍、尹首一團隊，是創新芯片架構技術——可重構計算的提出者和引領者，推出了面向深度學習應用的完全中國自主知識產權的可重構計算芯片——“Thinker”，被《MIT Technology Review》評價為中國的頂級成就[15]。清華大學錢鶴、吳華強研究團隊在國際上首次實現了基于多個憶阻器陣列的存算一體系統，大幅提升了計算設備的算力，證明了存算一體技術在人工智能等領域應用的可行性及廣闊前景。在開源RISC-V 架構方面，北京擁有較為完整的RISC-V 產業生態基礎。由北京新型研發機構微芯邊緣計算研究院主要發起的中關村科學城開源芯片源碼創新中心設立在北京，聚焦RISC-V 全球標準創建、RISC-V 開源平臺和社區建設以及RISC-V 架構的處理器內核、配套基礎軟件和芯片的研發創新。

2.1.3 硅光和光子集成電路極具研發資源優勢

北京在光電子領域匯聚全國頂尖的科技資源[16]，已積累了深厚的技術儲備。近五年來，北京在光電子領域獲國家獎共計15 項，占全國(40 項)總數的將近40%。在光通信、光傳感材料與器件研發方面處于國內領先甚至國際領先的地位。北京聚集了涉及光電子材料生長、光電子器件制備、平臺工藝等領域的30 多個優勢團隊，涌現出北京大學周治平團隊、清華大學黃翊東團隊、中科院半導體所劉峰奇團隊、中科院物理所張建軍團隊、中科院微電子所王文武團隊等具有國際影響力的優秀團隊。面向超大容量光互連需求，北京大學彭超副教授團隊從拓撲視角出發實現了不依靠反射鏡的光定向輻射技術，顯著降低片上光端口的插損，為高密度光子集成及光子芯片開拓新方向。此外北京中科院微電子所還率先搭建了硅基光電子工藝平臺，是我國首個具有完整硅光子工藝流片能力的平臺，使北京具備了實現全鏈條創新的硬件基礎條件。

2.1.4 類腦研究、腦機接口等領域研究活躍

北京在腦科學領域從基礎研究到創新應用，均處于國內領先地位，尤其是在腦認知及類腦研究、腦機接口等領域擁有全國最完整的學科布局。北京大學黃如院士團隊研發出高精度模擬生物突觸多種短時程、長時程可塑性的突觸晶體管，除具有豐富的類生物突觸可塑性之外，該器件的單次突觸事件能耗達到與生物突觸相當的水平，對低功耗類腦計算電路和系統的實現具有重要意義。清華大學微納電子系的錢鶴、吳華強教授團隊利用憶阻器的仿生與存算一體特性，合作提出了基于憶阻器陣列的新型腦機接口，構建了高效智能的腦電神經信號處理系統，實現93.46%準確率的大腦癲癇狀態識別，并將系統功耗降低400 多倍。清華大學施路平團隊研發出世界首款異構融合類腦芯片，也是世界上第一個既可支持脈沖神經網絡又可支持人工神經網路的人工智能芯片，在類腦芯片領域獲得了全球同行的認可。

2.2 北京集成電路領域前沿技術未來布局方向的思考

結合上述北京目前具有技術引領優勢的領域情況，綜合考慮各技術領域發展的趨勢和階段，可以得到北京應該重點布局的優先級矩陣，如表2 所示。從優先級矩陣可以看出，北京應優先發展STT-MRAM、RISC-V 開源架構、邊緣計算AI 芯片、可重構計算、碳化硅器件、深度學習專用集成電路等在2 年內或者2～5 年內會有明顯產業化進展的技術，由于這些技術研發和產業化風險相對較低，適合以企業為主體進行產業化布局。北京還應該利用在集成電路科研智力資源的領先優勢，加大力度支持ReRAM 阻變存儲器、芯片級硅光互聯、碳基晶體管、碳納米管存儲器(NRAM)、硅基氮化鎵器件、非馮架構類腦器件等在5～10 年會成為主流應用的相關技術，這些技術還處在相對早期的階段，適合以高校及科研單位為主體開展嘗試性前沿探索研究。

表2 北京集成電路前沿技術應該重點布局的優先級矩陣

3 結論

先進國家在集成電路前沿領域的積極布局和大力扶持啟示我們，北京應該去充分思考在新一輪科技革命和產業變革的重大機遇前，如何找準北京的著力點和突破點，前瞻布局下一代可能改變“競爭賽道”和“游戲規則”的前沿領域，去搶抓技術變革的制高點和下一代技術引領的話語權，突破更多國家重大技術短板，為保障產業鏈供應鏈安全穩定提供有力支撐，在國家應對全球性挑戰中貢獻更多“北京智慧”。

一是充分認識集成電路基礎研究投入的戰略意義，對前沿性、顛覆性技術創新加強識別評估和全過程培育。

集成電路基礎研究不僅對解決“卡脖子”技術至關重要，也是集成電路前沿創新領域不可忽視的重要因素。從國際先進國家對集成電路前沿領域的科研計劃和重大規劃布局來看，任何前沿性、顛覆性的技術創新都離不開基礎理論和實驗研究作為支撐，特別是在集成電路產業技術變革和創新踴躍的時代，重視前沿性、顛覆性技術，更要重視背后的基礎內涵和原始創新。北京要充分利用科研資源密集的優勢，向集成電路領域各類創新載體和新型研發機構征集、推薦和挖掘潛在的前沿及顛覆性技術[17]，并通過對前沿和顛覆性技術的預測、識別、評估分析，尤其是對目前北京已經具備領先優勢并且具備一定技術成熟度的領域，如MRAM 磁性存儲器、基于RISC-V 新架構的智能計算、硅基氮化鎵和SiC 等化合物半導體等，應依托專業集成電路技術服務機構跟進這些前沿技術創新從研發、創新培育到產業化的全過程，評估不同類型不同成熟度的技術預期的轉化時間，以及所需要的創新資源和產業化配套政策等，完善培育前沿及顛覆性集成電路技術的相關機制。

二是探索與產業需求和實際應用相結合的支持方式和組織模式。

集成電路領域前沿技術不確定性強，單純從形成科研成果的角度去支持培育，很難真正產生對產業具有重大影響的關鍵技術。因此需要參考借鑒美國ERI 計劃、中國臺灣半導體“射月計劃”等國家和地區對集成電路前沿技術的支持方式和組織模式，引導重點科研計劃與產業需求和實際應用相結合。建議北京市可以依托眾多高校及科研院所、央企國企等創新資源，建立產業目標導向的前沿技術庫，支持領軍企業積極申報參與這些尚處在科研階段的前沿項目，引導大型骨干企業加強與前沿科學對接，以協同合作、眾包眾籌等方式，精準破解產業發展的重大基礎性、戰略性問題。支持在重點行業的央企、市屬國企、領軍民營企業與國家、省、市自然科學基金建立聯合基金，推進大中小企業、國有和民營企業的融通創新，探索以后補助方式支持企業投入基礎研究的新機制，同時加大對依托領軍企業組建的國家重點實驗室的支持力度[18]。

三是對不同階段的集成電路前沿技術領域分類建立長效穩定的支持機制。

由于集成電路前沿及顛覆性技術具備一定的前瞻性，往往領先于現有市場，大部分都存在現有市場需求不足的情況，因此對于目前北京具備領先優勢和發展基礎的領域，可以分階段分類建立長效穩定的支持機制，形成有重點、有梯度、有層次的前沿技術布局，幫助這些技術跨越創新的“死亡之谷”(科技成果無法有效地商品化、產業化，導致科技成果與產業化發展之間出現斷層，被稱為科技成果轉化的“死亡之谷”現象。這種現象普遍存在于各國創新活動中，我國尤其明顯。數據顯示，我國科技成果轉化率僅為10%左右，遠低于發達國家40%的水平)。對于離主流應用階段尚遠，還處于技術萌芽期的領域，例如碳基集成電路、量子計算芯片等，可以穩定支持與競爭相結合，以政府主導的重大科研計劃進行穩定支持為主，但需大幅提高重大科研計劃對這類前沿技術研發項目的支持周期和支持力度。對于技術成熟度較高，成果轉化風險較低的領域，可以加大企業的投入和引入社會資本，推動這些前沿技術盡快與現有市場需求對接，促進新技術和新生態的培育壯大。

四是營造對前沿創新更加包容的環境，培育集聚一流的多元化、國際化集成電路戰略性科學家。

集成電路是高度依賴人才創新的產業，美國等集成電路先進國家和地區的重大科研計劃和戰略規劃得以實施，主要源于全球各地的高層次、多學科專業人才的支撐。而前沿及顛覆性技術往往是過于超前、另辟蹊徑、對已有主流技術路徑形成顛覆性替代的技術，很難得到業界或者傳統思維的“共識”，因此必須通過營造鼓勵創新、寬容失敗的社會氛圍，建設有利于顛覆性技術成果孵化的環境，才能穩固和吸引全球最頂尖的創新型人才形成集聚。建議北京提供具有國際競爭力和吸引力的政策和環境條件，針對全球集成電路及相關學科領域具有頂尖科研創新能力的戰略性科學家進行重點引進和培養，充分發揮其對前沿技術創新規劃和決策引領能力，加大對非共識、變革性技術領域的支持力度[19]。加強知識產權保護，形成公平競爭的市場秩序，打造法制化的創新環境，為前沿技術萌芽提供生長的土壤。提高北京集成電路產業科研人才、專業技術人才和管理人才的薪酬福利及社會保障水平，調動創新人才的積極性，形成有利于前沿技術轉移轉化的政策支持和資本保障。