后摩尔时代,中国机遇几何?

发布时间:2021-08-05 10:00:52

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  (经观东西)后摩尔时代,中国机遇几何?

  中新社北京8月3日电 (记者 刘育英)所谓摩尔定律,即“价格不变情况下,每18-24个月,集成电路可容纳的晶体管数翻一倍,性能提升一倍”。如今,这一行业金科玉律被挑战,市场未来走向存在变数。

  由英特尔公司创始人之一戈登·摩尔提出的摩尔定律到极限了吗?从工艺上,全球几大芯片公司正在展开“军备竞赛”。台积电5纳米工艺已经量产,2022年量产3纳米工艺。三星则正在与台积电展开3纳米大赛,也计划2022年量产3纳米工艺。近年在技术路线上落后的英特尔突然宣布2024年量产2纳米芯片。

  看起来摩尔定律似乎仍在向前迈进。为全电子行业产业链提供专业咨询的爱集微咨询总经理韩晓敏接受中新社专访时表示,目前芯片制造的工艺越来越小,但受制于芯片内部信号有效传递,已经接近物理尺度的极限,在10纳米以下再提升工艺水平已经非常难,而且要保证量产后的良率,需要更高的成本。

  如何延续摩尔定律已经成了时代命题。今年5月,国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议专题讨论“面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术”。

  业界已经有了一些探索。韩晓敏介绍,目前各大代工企业仍在不断提升工艺,通过其他手段来让摩尔定律往前走。其中一个办法是将晶体管的结构从过去的平面升级为立体。目前三星就在押注这种GAA(环绕栅极晶体管)工艺。

  “GAA是目前已经明确的研发路线,主要是大公司在推,在商业上基本可行,但GAA之后,尚没有较为统一的路线和方向”,韩晓敏表示。

  异构集成是另一个技术线路。英特尔公司认为,异构集成是将不同工艺架构、不同指令集、不同功能的硬件组合成一个计算系统。同时,这也是芯片、封装、系统、软件的协同,而不是单一的技术点。

  目前,AMD、英特尔、英伟达、高通、紫光展锐、北京君正等公司都积极开展对异构集成的研究与开发,并推出相应解决方案。

  “异构集成通过封装的方法,将芯片系统效能提升了一代,这种技术仍有潜力可挖,如通过什么样的方法和材料去互联与堆叠,还可以继续优化提升”,韩晓敏说。

  对硅基材料的替代被业界寄予厚望,如果能够产业化,将是一项颠覆性技术。因为随着芯片制造工艺逼近2纳米,硅基材料芯片的潜力已被挖掘殆尽,启用新的材料被认为是一条根本性解决问题的出路。各国都投入力量进行碳基的碳纳米管、石墨烯的实验,希望掌握后摩尔时代的技术制高点。

  据称,采用90纳米工艺的碳基芯片性能和集成度有望相当于28纳米工艺的硅基芯片。

  “但这些碳基材料的研发基本还都处于实验室和产业化早期阶段,还看不到可以替代硅基材料的可能,即使将来做成器件,也还需要很多工艺的打磨”,韩晓敏表示,如果未来碳基材料进入商用,基于成本的考虑,大概率也只是在部分领域替代硅基材料,不大可能替代全部。

  第三代半导体也是在芯片材料上进行迭代。所谓第三代半导体,指的是以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料。5G基站、新能源汽车和快充等都是第三代半导体的重要应用领域。

  中国已明确“十四五”期间大力支持发展第三代半导体产业。韩晓敏说,在应用升级和政策驱动下,第三代半导体将迎来快速发展期。但其主要是解决功率和射频的问题,解决不了CPU、GPU的摩尔定律问题。

  此外,还有一些新的架构和技术路线,如自旋、存算一体、线上计算等。韩晓敏认为这些可以算是绕过摩尔定律,目的是解决计算这样的局部问题。

  摩尔定律面临极限挑战,业界提出了多种技术方向,这既是转折点,也是机遇,给中国企业提供了追赶的方向。中国已将异构集成、碳基技术、第三代半导体等作为重点发展方向,并取得部分突破。

  韩晓敏曾任中国工业和信息化部赛迪顾问集成电路中心总经理,清华大学微电子专业本硕毕业,专注于半导体集成电路领域,对集成电路设计、制造、封测、设备与材料全产业链都有研究。

  韩晓敏提醒,仍要看到,中国的芯片产业还存在很多短板,即使是一些已经明确了方向的新技术,与国外大厂也存在很大差距。如异构集成,目前中国企业还处于低端,中高端仍掌握在几家国际巨头手中。

  另外,一些尚未产业化的技术,也存在很大不确定性,有些技术即使距离产业化看似还有1年时间,仍有可能最终不能走出实验室,成为商用技术。此外,还要考虑到中国目前芯片产业链仍然受到封锁与限制。韩晓敏认为,后摩尔时代的一些技术,全球厂商都在探索之中,甚至进行了更长时间的探索,这些挑战都是不能忽视的。(完) 【编辑:朱延静】

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