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沈磊： 从芯片到系统 从设计到制造 未来芯片道路需要融合
2024-04-30 10:45:30作者：郦雨婷来源：
摘要 2024赛迪论坛于4月2日在北京香格里拉酒店正式开幕。在产业链供应链分论坛会议中，中国半导体行业协会集成电路设计分会副理事长沈磊在后摩 ...
2024赛迪论坛于4月2日在北京香格里拉酒店正式开幕。在产业链供应链分论坛会议中，中国半导体行业协会集成电路设计分会副理事长沈磊在“后摩尔时代设计与制造的融合发展”的主题报告中表示，从芯片到系统、从设计到制造、未来芯片道路需要“融合”。
摩尔定律逐渐“失效”？
沈磊在报告分享初期，首先分享了一条主宰半导体行业长达半个世纪之久的“金科玉律”——摩尔定律。1965 年，英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore) 发布了他对半导体行业规律的观察总结报告，该报告就是行业著名的摩尔定律，直至今天该定律仍然在半导体集成电路行业中起着产业技术试金石的作用。摩尔定律内容简单概括为：当价格不变时，集成电路芯片上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。作为关乎国民经济和国家安全的战略型行业，半导体集成电路行业在我国占据重要地位。在过去的半个多世纪，我国半导体行业一直遵循着摩尔定律（Moore's law）的轨迹高速地发展。但随着2021年半导体制程节点来到5nm，之后每进步1nm，行业内人士都付出了巨大的努力。因此，单纯靠提升工艺来提升芯片性能的方法已经无法充分满足时代的需求。
沈磊在演讲中表示，我们今天面临着前所未有的挑战，不仅面临着复杂的国际形势，还有受到多元地域政治影响。我们现在要讨论的不仅是行业发展规律，还要结合我们今天面临的整个形势。百年未有之大变局下，集成电路产业进入后摩尔定律时代。
沈磊表示：“现代集成电路产业的工艺技术节点已经走到10nm、7nm、5nm、2nm，甚至更小，我们可以看到摩尔定律虽然还在指引我们产业技术发展，但明显可以感受到由于技术的难度越来越高，以至于先进工艺技术的迭代周期越来越长，产业技术发展的轨迹与摩尔定律预测的轨迹偏差越来越大。人们不禁要问，摩尔定律是否会‘失效’？”
后摩尔时代技术主要有三个方向
针对集成电路产业新业态，沈磊表示，后摩尔时代的技术主要有三个方向。
第一，延续摩尔定律（More Moore），即在现有的框架下，通过提高设计、制造、封装上的技术，把集成电路的性能挖掘用尽。2023年5月，IMEC（微电子研究中心）发布了其1nm以下工艺的路线图，工艺路线图显示，FinFET晶体管将在3nm走到尽头，然后将过渡到新的Gate All Around（GAA），预计2024年进入大批量生产，之后还会有FSFET和CFET等。
第二，扩展摩尔定律（More than Moore），即发展在之前摩尔定律演进过程中所未开发的部分，如采用先进封装和chiplet（芯粒）等技术实现集成度的不断提升和微系统集成。当前和未来的趋势是将FPGA、CPU等异质内核通过封装集成在一起，提高系统集成度，以适应日益多元的应用需求。
沈磊表示：“现在我们可以采用更加先进的封装手段实现不同种类同构或异构多芯片集成，因为现在和20年前不一样，20年前的封装只起到一个保护作用，但今天不是，它除了保护作用外，还要担当得起芯片集成或微系统集成的功能。”
第三，超越摩尔定律（Beyond CMOS），即发展硅基平面CMOS 器件之外的新型半导体器件，如采用环形栅器件结构。随着芯片器件尺寸的持续缩小，需要不断开发新的器件结构。由此可见，器件的缩小需要和设计配合。因此，在器件的开发过程中，前期的设计一定要考虑后面工艺的可实现性、工艺的可制造性，这也是沈磊在演讲过程中一再强调的“融合性”。
先定义产品 再配置技术
随着ITRS（国际半导体技术路线图）到IRDS（国际器件及系统路线图）的转变，意味着产业界从注重CMOS（互补金属氧化物半导体）尺寸缩比、工艺进步，到更关注器件创新、系统集成与系统应用。产业界从芯片到系统的融合发展趋势日益凸显。芯片设计公司从注重单芯片设计转而注重软件和系统应用，系统设计公司从自身需求出发开始进入芯片设计领域。而全栈能力的EDA（电子设计自动化）为芯片和系统设计融合提供了保障。
沈磊表示：“以前如果我们要做一个产品、开发一个系统，首先要考虑的是技术的可行性，因为‘什么样的技术做什么样的产品’，但今天的我们变成了‘我们先定义我们要做什么样的产品，再来配置我们的技术’，这样我们的路才会越走越宽。”
异构集成有望成为延续摩尔定律的第四波技术浪潮
异构集成类似于SIP（系统级封装），但它并不是简单将多颗芯片集成在单个衬底上，而是从封装工艺出发，将多个IP以小芯片的形式集成在单个衬底上，再形成微系统。异构集成的基本思想是将多个具有不同功能的元器件组合在同一个封装中，将分开制造的不同元器件集成到更高级别的组件中，可以增强功能并改进工作特性。创新的先进封装解决方案可以大幅提升半导体系统性能和效率，以满足未来人工智能和高性能计算的需求。
芯片设计与制造融合的最大难点在于芯片设计时需要考虑更多制造相关的因素。沈磊表示，现在一个很重要的研究方向就是“可制造性设计”，简单来说，就是设计一定需要考虑到后期制造的适配性。例如，设计的EDA（电子设计自动化）工具中要多方面考虑系统、制造、封装、接口、各类应力，甚至是特殊环境应用（如粒子辐射环境）；此外，设计还需要考虑满足性能与可靠性需求。
面对这个挑战，沈磊指出，或可考虑协同设计的可能性，软硬件协同技术贯穿芯片设计、制造、封装测试整个过程，凸显融合的趋势。针对多重物理量的存在，以及工艺尺寸和分辨率的差异、不同的设计规则和现行设计工具版本和性能的不满足等问题，我们可以找到一些潜在的解决方案，如行为级建模与宏模型、统计建模、多元硬件、FPGAs（现场可编程门阵列）、人工智能与机器学习、新算法、量子计算等。
最后，沈磊表示，在后摩尔定律时代的今天，我们从单一芯片设计走到芯片与系统应用的融合，从芯片设计走到设计制造的融合，需要整个产业链更加开放密切的合作、融合共赢，共同解决“摩尔”概念带来的难题。
(本文不涉密)
责任编辑：郦雨婷
摩尔定律逐渐“失效”？
沈磊在报告分享初期，首先分享了一条主宰半导体行业长达半个世纪之久的“金科玉律”——摩尔定律。1965 年，英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore) 发布了他对半导体行业规律的观察总结报告，该报告就是行业著名的摩尔定律，直至今天该定律仍然在半导体集成电路行业中起着产业技术试金石的作用。摩尔定律内容简单概括为：当价格不变时，集成电路芯片上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。作为关乎国民经济和国家安全的战略型行业，半导体集成电路行业在我国占据重要地位。在过去的半个多世纪，我国半导体行业一直遵循着摩尔定律（Moore's law）的轨迹高速地发展。但随着2021年半导体制程节点来到5nm，之后每进步1nm，行业内人士都付出了巨大的努力。因此，单纯靠提升工艺来提升芯片性能的方法已经无法充分满足时代的需求。
沈磊在演讲中表示，我们今天面临着前所未有的挑战，不仅面临着复杂的国际形势，还有受到多元地域政治影响。我们现在要讨论的不仅是行业发展规律，还要结合我们今天面临的整个形势。百年未有之大变局下，集成电路产业进入后摩尔定律时代。
沈磊表示：“现代集成电路产业的工艺技术节点已经走到10nm、7nm、5nm、2nm，甚至更小，我们可以看到摩尔定律虽然还在指引我们产业技术发展，但明显可以感受到由于技术的难度越来越高，以至于先进工艺技术的迭代周期越来越长，产业技术发展的轨迹与摩尔定律预测的轨迹偏差越来越大。人们不禁要问，摩尔定律是否会‘失效’？”
后摩尔时代技术主要有三个方向
针对集成电路产业新业态，沈磊表示，后摩尔时代的技术主要有三个方向。
第一，延续摩尔定律（More Moore），即在现有的框架下，通过提高设计、制造、封装上的技术，把集成电路的性能挖掘用尽。2023年5月，IMEC（微电子研究中心）发布了其1nm以下工艺的路线图，工艺路线图显示，FinFET晶体管将在3nm走到尽头，然后将过渡到新的Gate All Around（GAA），预计2024年进入大批量生产，之后还会有FSFET和CFET等。
第二，扩展摩尔定律（More than Moore），即发展在之前摩尔定律演进过程中所未开发的部分，如采用先进封装和chiplet（芯粒）等技术实现集成度的不断提升和微系统集成。当前和未来的趋势是将FPGA、CPU等异质内核通过封装集成在一起，提高系统集成度，以适应日益多元的应用需求。
沈磊表示：“现在我们可以采用更加先进的封装手段实现不同种类同构或异构多芯片集成，因为现在和20年前不一样，20年前的封装只起到一个保护作用，但今天不是，它除了保护作用外，还要担当得起芯片集成或微系统集成的功能。”
第三，超越摩尔定律（Beyond CMOS），即发展硅基平面CMOS 器件之外的新型半导体器件，如采用环形栅器件结构。随着芯片器件尺寸的持续缩小，需要不断开发新的器件结构。由此可见，器件的缩小需要和设计配合。因此，在器件的开发过程中，前期的设计一定要考虑后面工艺的可实现性、工艺的可制造性，这也是沈磊在演讲过程中一再强调的“融合性”。
先定义产品 再配置技术
随着ITRS（国际半导体技术路线图）到IRDS（国际器件及系统路线图）的转变，意味着产业界从注重CMOS（互补金属氧化物半导体）尺寸缩比、工艺进步，到更关注器件创新、系统集成与系统应用。产业界从芯片到系统的融合发展趋势日益凸显。芯片设计公司从注重单芯片设计转而注重软件和系统应用，系统设计公司从自身需求出发开始进入芯片设计领域。而全栈能力的EDA（电子设计自动化）为芯片和系统设计融合提供了保障。
沈磊表示：“以前如果我们要做一个产品、开发一个系统，首先要考虑的是技术的可行性，因为‘什么样的技术做什么样的产品’，但今天的我们变成了‘我们先定义我们要做什么样的产品，再来配置我们的技术’，这样我们的路才会越走越宽。”
异构集成有望成为延续摩尔定律的第四波技术浪潮
异构集成类似于SIP（系统级封装），但它并不是简单将多颗芯片集成在单个衬底上，而是从封装工艺出发，将多个IP以小芯片的形式集成在单个衬底上，再形成微系统。异构集成的基本思想是将多个具有不同功能的元器件组合在同一个封装中，将分开制造的不同元器件集成到更高级别的组件中，可以增强功能并改进工作特性。创新的先进封装解决方案可以大幅提升半导体系统性能和效率，以满足未来人工智能和高性能计算的需求。
芯片设计与制造融合的最大难点在于芯片设计时需要考虑更多制造相关的因素。沈磊表示，现在一个很重要的研究方向就是“可制造性设计”，简单来说，就是设计一定需要考虑到后期制造的适配性。例如，设计的EDA（电子设计自动化）工具中要多方面考虑系统、制造、封装、接口、各类应力，甚至是特殊环境应用（如粒子辐射环境）；此外，设计还需要考虑满足性能与可靠性需求。
面对这个挑战，沈磊指出，或可考虑协同设计的可能性，软硬件协同技术贯穿芯片设计、制造、封装测试整个过程，凸显融合的趋势。针对多重物理量的存在，以及工艺尺寸和分辨率的差异、不同的设计规则和现行设计工具版本和性能的不满足等问题，我们可以找到一些潜在的解决方案，如行为级建模与宏模型、统计建模、多元硬件、FPGAs（现场可编程门阵列）、人工智能与机器学习、新算法、量子计算等。
最后，沈磊表示，在后摩尔定律时代的今天，我们从单一芯片设计走到芯片与系统应用的融合，从芯片设计走到设计制造的融合，需要整个产业链更加开放密切的合作、融合共赢，共同解决“摩尔”概念带来的难题。
(本文不涉密)
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