北大王阳元:中国集成电路的天时地利人和

2019-01-11
14:00:19
来源: 半导体行业观察

2016 年 4 月 19 日,习近平总书记在网络安全和信息化工作座谈会上指出:“如果核心元器件严重依赖外国,供应链的 ' 命门 ' 掌握在别人手里,那就好比在别人的墙基上砌房子,再大再漂亮也可能经不起风雨,甚至会不堪一击。 ”集成电路和在其上运行的软件正是建设信息社会的“墙基”,是推动经济发展的驱动器,是国家信息安全的重要保障。

集成电路的本质和基本特征

集成电路具有信息的获取、处理、存储、传输和执行功能,可以大批量、高性能 / 价格比地生产,其应用如水银泄地般无孔不入,涵盖了政治、 经济、文化、军事、科技等各个领域,已经成为各个信息系统的组成细胞,这便是集成电路的生命所在。

“核武库”的战略性体现在其威慑力,但其系统数量一般在 10 3 左右。而集成电路则具有战略性与市场性的双重特性,其战略性以市场性的方式得以具体体现,若 10 11 产量的集成电路不能在整机系统应用,不仅集成电路生产线不能正常运转,其战略性亦得不到充分显现(图 1 )。也就是说,制造集成电路产品,关乎其“产业链”的建设,而集成电路的应用和市场开拓则关乎其“生态链”的构成和不断拓展。因此掌握好战略性和市场性的基本特点是发展集成电路产业及其重要的问题。

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图 1  集成电路具有战略性与市场性的双重特性

集成电路与软件已经成为推动国家经济高质量发展的驱动器。据美国能效经济委员会( ACEEE ) 2009 年发表的报告测算, 2006 年,美国整个半导体技术的应用节约了大概 7750 千瓦时的能源(约相当于三峡水电站年发电量的 9 倍),随着各种各样的政策和措施激励半导体节能技术投入的增加,预计到 2030 年,美国经济增长量与 2008 年相比将超过 70% ,但耗电量却减少 11% 。

集成电路和软件还是国家信息安全的守卫者。据统计, 2012 年中国 1420 万台主机被境外监控,涉及 5 亿网民以及金融、交通、能源等多个部门。此外,美国国家安全局还通过监听微软、谷歌、雅虎等 9 家网络公司,能够截获包括电子邮件、聊天日志等任何通信数据,全面监控特定目标及其联系人的一举一动。如果我们的信息安全的钥匙控制在他人手中,其后果不堪设想。为此,必须加强我国具有自主知识产权的软、硬件研发,堵住一切可能产生的漏洞,方能在各系统中不受国外“入侵者”的任何袭击。可喜的是,我们在这方面的研发已经取得部分成果,清华大学魏少军、刘雷波团队的“ CPU 硬件安全动态检测管控技术”,已入选本届世界互联网大会 15 项全球领先科技成果,并应用于联想、长城和新华三的商用服务器;北京大学黄如院士团队的低功耗多栅新结构器件和 TFET 超低功耗器件都已在中芯国际进行产业化转化工作,而对纳米级器件可靠性模型和测试方法已嵌入于 Cadence 的 EDA 软件中,并注明“北京大学”的知识产权;中微半导体尹志尧博士团队经过十几年潜心研发,刻蚀机产品已进入世界市场。

集成电路的发明

Kilby 于 1949 和 1950 年分别在 IIIinois 和 Wisconsin 获得学士和硕士学位,然后在 Globe-Union 公司的 Centralab 部门负责小型化研究。

1954 年, Bell 实验室发明了硅晶体管, TI 公司获得了授权,而 Centralab 没有获得该授权, Kilby 希望从事前沿性的创新工作,于 1954 年 5 月转入 TI 公司工作,仍然负责电子装备小型化工作。

小型化工作当时有三条途径:( 1 )沿着传统的微型化模块的工作方式继续缩小;( 2 )当时 NASA 支持的薄膜技术;( 3 )空军支持的“分子电子学”工作。

Kilby 分析后认为,继续沿着传统的微型化模块工作,不可能降低成本,没有出路。而“薄膜技术”和“分子电子学”都离实践太遥远,根本出路在于将主动元件和被动元件都“集成”在一块半导体上,采用全新的工艺才有出路,这就是集成电路发明的思路。

1958 年 9 月 12 日, Kilby 进行了集成电路相移振荡器演示(图 2a ), 1959 年 5 月 6 日,申请了《 Miniaturized self-contained circuit modules and method of fabrication 》专利,在 1964 年 6 月 23 日获得批准, 专利号( No.3138744 )。

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图2  Kilby和Noyce发明的集成电路

1959 年 7 月 30 日,仙童公司的 Noyce 发明了平面工艺集成电路(图 2b ),并申请了《 Semiconductor Device-and-Lead Structure 》, 1961 年 4 月 25 日获得批准,专利号( No.2981877 )。平面工艺更适合于大生产。

TI 和仙童两家公司为集成电路发明权争论不休,最后二者均获得认可。可惜的是,在 2000 年, Kilby 因发明集成电路获得 2000 年诺贝尔物理学奖时, Noyce 已经去世,从而与诺贝尔奖失之交臂。

Kilby 申请的集成电路专利仅仅由 1 个晶体管和 4 个元件组成,而到 2015 年, 由于在 1 平方厘米大小的芯片上可以集成数十亿个晶体管,加之信息产品市场的急剧扩大,全球每人已平均拥有 1500 亿只晶体管(图 3 ) 。

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图 3  全球晶体管总用量(图片来源:《Industry Strategy Symposium 2012》)

集成电路发展 60 年的历史是一部技术创新的文明史

集成电路发展的历史是一部技术创新的文明史。图 4 所示为集成电路发展过程中的主要发明及其发明者, 其中的华人有 CMOS 结构的首批制造参与者萨支唐、 NVSM Flash 概念的提出者施敏和 FinFET 的发明人胡正明。

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图 4  集成电路技术与产业的重要发明和预测

集成电路的每项重要发明都在改变人类的生产方式和生活方式,如图 5 所示。图像传感器的发明产生了电视和数码相机;非易失性存储器的发明颠覆了传统的胶片产业;微处理器和动态随机存取存储器( Dynamic Random Access Memory , DRAM ) 的发明开创了计算机的新时代;微机电系统( Micro-Electro-Mechanical System , MEMS )的发明使可穿戴设备成为生活的时尚;高级驾驶辅助系统( Advanced Driver Assistance System , ADAS )使得无人驾驶汽车离我们不再遥远;全自动港口彻底解放了沉重的体力劳动;一部手机可以观看视频,可以瞬间传送书信,可以替代有线电话,可以玩游戏,可以时时知悉全世界的实时新闻,成为了人手一部的移动信息终端。

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图 5  集成电路改变人类的生产方式和生活方式

集成电路整个技术进步是来源于不断增长的市场需要,包括图像信息、声音信息、传输信息、处理信息的能力各方面的需求。图 6 所示的每张图代表着时代的进步。而对电子设备更加轻便、功能更多、功耗更低、容量更大、处理速度更快、图像显示更加清晰这些需求, 对集成电路提出了更新、更强的挑战。

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图 6  集成电路的技术进步源于不断增长的市场需求

图 7 显示了集成电路的复杂度的提高源于技术创新和产业结构的不断进步。最早的硅片直径为 1 英寸, 其后,集成电路生产的主流硅片直径逐渐增加, 1992 年达到 200mm (俗称 8 英寸), 2002 年起,开始使用 300mm (俗称 12 英寸)的硅片。从产业结构看,最早生产集成电路的是系统厂商,后来集成器件制造商( IDM )从系统厂商中分离, 成为独立的集成电路生产商;其后, 设计部分的分离形成了独立的无生产线企业( Fabless )、制造部分的分离形成了独立的代工企业( Foundry )。而等离子刻蚀、铜互连、浸没式光刻等技术创新则使 CPU 上晶体管数量每两年翻一番,印证了被称为“摩尔定律”的预测。

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图 7  集成电路技术和产业发展里程碑

研究事物发展规律是科学研究的使命。发现规律并按规律办事,就会减少盲目决策,节省资源,少走弯路;反之,违背规律、急于求成,就会重蹈失败覆辙,浪费资源,事倍功半。 在集成电路 60 年的发展过程中,除了众所周知的“摩尔定律”外,我们还认为还存在如下规律性的发展特征:

(1)集成电路产业的发展必须保证资金的密集投入和持续投入。从 1970 年到 2015 年,集成电路工厂的建设投资平均每 5 年增长 1.5 倍;从 180nm 工艺到 14nm 工艺,集成电路工艺研发的成本平均每个技术节点是上一节点的 1.5 倍。 自 2000 年起至今,世界集成电路前三强企业(英特尔,三星,台积电)平均每年的资本支出为 100 亿美元(含研发及设备折旧费用) ,其投资强度相当于一个航母战斗群(包括航空母舰及配套数量的巡洋舰、护卫舰、驱逐舰、补给舰、核潜艇、舰载机)的造价。图 8 表明,由于集成电路市场的波动性,恰恰应在市场低谷期更要加强研发的投入。为此,集成电路产业的投入须集中资源,且不能急求回报。

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图 8  集成电路 10 年量产规律

(2) 集成电路从研发到批量生产约需 10 年的时间。从图 8 可以看出, 集成电路产业形成、 CPU 、 DRAM 、 Flash 、 FinFET 乃至我国第二代身份证的从研发到量产莫不如此。 为此,要产生必要的技术积累,必须提前 10 年进行基础研究的部署工作。

(3) 集成电路技术约每 10 年取得一代技术进步(图 9 ) 。

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图 9  集成电路 10 年一代技术进步

(4) 集成电路产品驱动电子系统约每 10 年进行一次更新换代。 从最早的大中型计算机时代, 到 PC 时代、移动通信时代、泛网时代,到目前的新一代信息技术时代,电子系统在集成电路产品的推动下约每 10 年进行一次更新迭代(图 10 )。而以大数据、云计算、量子计算、人工智能、生物识别、物联网以及无人驾驶汽车等为代表的新一代信息技术会持续发展到 21 世纪三四十年代,甚至更长一段时间。 这同时表明电子系统的创新是拉动集成电路技术创新的强劲动力。

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图10  集成电路产品驱动电子系统约每 10 年进行一次更新换代

当今,集成电路科学与技术的发展已经进入后摩尔时代。其主要发展方向是:

(1) 沿着继续缩小加工尺寸( Scaling Down ) 的方向迈进( More Moore, 延续摩尔)。目前量产产品的最小加工尺寸已达到 7nm , 产品表现为系统芯片( System on Chip , SoC ) , 非量产产品加工尺寸的研究成果已达到 3nm 。

(2) 将模拟电路、射频电路、传感器、高压器件、功率器件等与逻辑电路通过封装形式完成集成, 使集成电路具备更多、更广的功能( More than Moore , 拓展摩尔)。产品形式为系统封装( System in Package , SiP )。

(3) 以全新材料、全新工艺制作的量子器件、自旋器件、单电子器件、磁通量器件、石墨烯器件、碳纳米管、纳米线来结构和演绎全新的集成电路( Beyond Moore ,超越摩尔)。

(4) 未来, 随着物理、数学、化学、生物学等新的发现和技术突破,有可能建立全新形态的信息科学技术及其产业( Much Moore ,丰富摩尔)。 (图 11 )。

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图11  集成电路发展进入后摩尔时代

我认为, 未来集成电路产业和科学技术发展的驱动力是降低功耗,而不仅以提高集成度(减小特征尺寸)为节点,即以提高性能 / 功耗 / 成本比为标尺。 然而遗憾的是, 迄今, 我们还未能将此理论认识数据化成为一条曲线,如果能将其数据化,哪怕在某个领域数据化为一个规律的话,将被更多的人所接受。

抓住历史交汇期,发展我国集成电路科学技术和产业

图 12 示出了中国集成电路产业的发展概况。 从 20 世纪 60 年代中期至 20 世纪末, 由于没有掌握好集成电路产业发展的基本规律和对其战略性、市场性的双重特性认识不足,中国集成电路产业一直发展迟缓。 1981 年, 中国集成电路全行业销售额只有 1 亿元人民币。 1983 年起, 虽然实施了无锡微电子工程、 908 工程和 909 工程, 但由于计划经济体制的制约,审批繁复,投资单一,待工程完工、产品投产时,其产品市场窗口已然关闭。为此,到 1999 年,虽然全行业销售额增加到 79.5 亿元,但仅占当时世界市场的 1% 。 进入 21 世纪初,以中芯国际建设为重要标志,我国集成电路产业进入规范发展阶段。“十八大”、“十九大”以后,在党中央的英明决策和领导下,我国集成电路产业开始进入高速发展时期,部分企业进入了世界排名前十,部分产品和设备打入了国际市场。

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图12  中国集成电路产业的发展

在中国集成电路产业进入了高速发展阶段的今天,我们要充分利用天时、地利、人和的有利条件和比较优势。

天时

中国正处于“两个 100 年”奋斗目标的历史性交汇期,也是工业社会和信息社会融合的历史性交汇期。 2018 年 5 月 28 日,习近平总书记在两院院士大会上强调:“我们必须清醒认识到,有的历史交汇期可能产生同频共振,有的历史交汇期也可能擦肩而过。 ”我们希望以集成电路和软件为支撑点的信息产业, 能够与这一历史性交汇期产生同频共振,以信息产业的创新,作为基石, 铺设中华民族的伟大复兴之路。

图 13 绘出了中国经济近 200 年的马鞍型变化。 1820 年,中国占世界 GDP 总量的 1/3 ,我们预测未来在没有发生全面战争及世界经济危机的情况下,到 2035 年左右, 中国的经济总量将会超过美国,成为世界第一大经济体,但人均 GDP 仍只有美国的 1/5~1/4 ;到第二个百年目标实现时,中国的经济总量将重返占世界 GDP 的 30% 。

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图13 中国经济 200 年的马鞍型变化(数据来源:根据《世界经济千年史》,国家统计局,联合国统计司,世界银行, IMF 数据及预测整理)

地利

中国倡议的一带一路,成果惠及世界。 2018 年 8 月我国已经与 103 个国家和国际组织共同签署了“一带一路”方面的合作协议; 2018 年 9 月拉丁美洲 9 个国家与中国签署了“一带一路”合作协议。

中国集成电路市场规模世界第一。据 2017 年统计数据, 中国半导体市场占世界半导体市场总额的 56% ,其中存储器、微处理器等重要器件在集成电路市场分布中占了比较大的份额(图 14 )。 巨大的市场需求为中国集成电路产业提供了大有可为的舞台。

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图14  2017 年世界半导体市场分布(数据来源: WSTS,赛迪顾问)

人和

2014 年 9 月 9 日,习近平总书记同北京师范大学师生代表座谈时指出:“当今世界的综合国力竞争,说到底是人才竞争,人才越来越成为推动经济社会发展的战略性资源,教育的基础性、先导性、全局性地位和作用更加突显, ‘两个一百年’奋斗目标的实现、中华民族伟大复兴中国梦的实现,归根到底靠人才、靠教育。 ” 2020 年,我国集成电路产业需要技术人员 72 万人,目前我国集成电路技术人才存量 40 万人,缺口 32 万人;预计 2030 年 ~2035 年我国集成电路产业人才差额为 30 万 ~50 万人,而“十三五”期间培养的人才只有 7.5 万人,缺口甚大。

为此, 培养集成电路人才的任务应立即提到集成电路产业发展的议事日程上来。我建议将“集成电路科学技术与工程”设立为一级学科,扩大其招生名额,同时在加强与产业结合的基础上,对教育体系、教材、课程设置、教学方法进行一系列深化改革,出台有利于引进人才、留住人才和培育人才的相关举措。

针对国外的技术封锁、专利垄断和市场围剿,我认为当前必须解决以下“卡脖子”问题,包括:

硬件 (中央处理器、图形处理器、存储器、模拟电路) ;

软件 (桌面操作系统、移动操作系统, EDA 工具) ;制造技术,关键专用设备及专用材料。

解决的途径建议如下:

( 1 )集中人才、资金、政策相对优势, 加强产学研结合,建立产前联盟。

( 2 ) 防散治乱,切忌一拥而上,聚集资源,决战市场。

( 3 )技术积累,重在创新,加强基础研究,加速科研成果向市场转化。

( 4 )构建创新的人才体制机制,聚天下英才而用之。

( 5 )集成电路产业是国际性产业,要加强国际合作,充分利用国际资源。

展 望

(1) 我希望到 2021 年,中国集成电路产业能够达成如下目标:

▲ 创建一批明星企业,培育一批明星企业家;

▲ 提高专用设备、 300nm 晶片和专用材料的市场占有率;

▲ 加强 CPU 、 存储器和 FPGA 等高端产品的创新能力;

▲ 涉及国家安全的关键集成电路产品,自给率达 70% ;

▲ 在具有中国特色的集成电路研发体系和培育人才体制机制上有所创新;

▲ 大生产技术水平与世界先进水平相差一个技术节点;

▲ 新器件结构、材料、工艺的领域出现更多的创新成果, 最重要的是在应用中完善与发展。

(2) 在此基础上,经过 15 年左右的努力,我国集成电路产业规模应达到世界三分天下有其一,产业链中各环节均有位列世界前三的明星企业, 原始创新能够从点滴汇聚成泉涌之势,人才后辈力量充实,产业的市场、资金、技术、人才能够形成互相支撑的良性循环。

(3) 在此基础上,再经过 15 年, 在达到第二个百年目标前后,我设想硅基集成电路会继续沿着提高性能 / 功耗 / 成本方向发展, 新材料、新结构器件、新电路形态的创新会不断涌现,集成电路向多领域的渗透和交叉作用越来越强,越来越深。集成电路产业将为中国自立于世界民族之林做出卓越的贡献。

致 谢

感谢王永文研究员,本文成文过程中的诸多帮助。

作者简介: 王阳元,中国科学院院士,北京大学教授, 现从事微电子学领域中新器件、 新工艺和新结构电路等研究。

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