“集成系统”或为中国半导体产业发展提供另一条思路

2023-10-31 18:42:28

继2021年呈现26.2%的强劲增长之后,2022年全球半导体产业销售规模达5801亿美元,较上年增长4.4%。其中,中国半导体市场规模全球占比高达31.1%,超过美洲、欧洲、日本等国家或地区,为最大半导体消费市场。据中国半导体行业协会数据显示,中国集成电路产业销售规模已从2013年的2508.5亿元,增至2022年的1.2万亿元(同比增长14.8%)。




不过,“繁荣”的数字背后,却透露着”心酸”——集成电路(ic)仍是中国每年第一大宗进口商品。据海关数据显示,中国集成电路进口额由2013年的2313.4亿美元,增至2022年的4156亿美元;同期进口额由877亿美元增加至1539亿美元;逆差额则由1436.4亿美元扩大至2617亿美元。




也因此,中国要为进口集成电路付出巨大代价:其一,中国需要花巨资进口集成电路,比如2022年中国进口集成电路5384亿块,其价值高达4156亿美元。其二,由于中国高端芯片严重依赖进口,在形势严峻之时,遭遇断供风险极高,有钱也无济于事。比如2022年9月,美国禁止英伟达(nvidia)对中国出口其最先进的高算力人工智能(ai)芯片;2023年1月,美日荷三国达成协议限制向中国出口先进半导体制造设备;2023年8月,美国财政部获得授权,可审查美国投资者的特定对外投资活动。现阶段明确拟加强对中国半导体和微电子、人工智能和量子计算技术等特定领域,尤其是对该领域“敏感技术” (sensitive technology)的投资审查监管。


01

如何破解中国集成电路落后的僵局?


“集成电路涵盖数理化专业知识,并涉及机械、电子、材料、仪器仪表等多个环节,缺一不可。” 中国科学院院士、深圳大学校长毛军发在2023中国(深圳)集成电路峰会(简称:ics2023)上表示,“eda、装备、材料的落后是导致中国集成电路落后的重要原因。”


毛军发以eda为例指出,中国高校拥有很多算法教授,各自都有小程序、小模块,但各自为政,也缺乏大的集成商,而像cadence、synopsys这些巨头,正是其eda中集成了数百个小软件模块,才拥有今天的江湖地位和市场规模。同时,中国工艺的落后也影响到eda的发展。


如何打破这种僵局?业界的思路很清晰,就是延续摩尔定律——把晶体管做小,但在实施过程中,仍面临物理原理、技术手段和经济成本三重极限挑战。因此,毛军发院士所提出的“集成系统”概念,就是绕道摩尔定律(more than moore)的技术手段之一。




据介绍,“集成系统”概念被提出主要基于四方面的考虑:


第一、集成电路(芯片)只是手段,微电子系统才是目的。单一芯片再先进,哪怕由1 nm工艺制造,即便集成1000亿个晶体管都没用,其只有在系统中才能发挥作用。


第二、摩尔定律正面临挑战,再往前走难度会越来越大。


第三、集成电路系统的前道设计加工,与后道的封装集成界限越来越模糊。


第四、传统的1,000多种封装技术的做法,采取的是分立实施的步骤,即先做芯片,再封装,最后再搭建系统,这样效率很低。


鉴于此,毛军发团队参照集成电路 (integrated circuits,ic) 的思想提出集成系统 (integrated systems,is) 的概念。此概念被提出的初衷,就是希望能够像过去集成大规模电路一样实现复杂系统的集成。按照他的说法,与其向着集成手段去发力,不如直接向着集成系统的目的去发力。


02

前道设计加工与后道封装逐步收敛融合


“随着现在集成电路前后道工艺界限越来越模糊,如果任由这种趋势发展下去,将会对中国集成电路产业带来不利影响。” 毛军发强调道。


据他介绍,台积电(tsmc)的soic(system on integrated chips)技术,它的堆叠芯片互联的间距(pitch)小于一微米,这一尺度跟片上互联的尺寸相当。它是片上互联,还是前道或后道,已经分不清了。正因如此,现在真正先进的封装技术必须要用前道工艺来做,像台积电、英特尔这些传统foundry能力较强的厂商,如果其将强大的前道工艺加工能力用作后道封装集成,或对中国大陆较强的封测能力实现降维打击。


据台积电凯发官网入口首页官网资料显示,soic 是推动异构小芯片集成领域发展的关键技术支柱,其尺寸更小,性能更高。它采用超高密度垂直堆叠,可实现高性能、低功耗和最小rlc(电阻-电感-电容)。soic 将有源和无源芯片集成到新的集成 soc 系统中,该系统在电气上与本机 soc 相同,以实现更好的外形尺寸和性能。soic 技术的主要特点包括:实现具有不同芯片尺寸、功能和晶圆节点技术的已知良好芯片 (kgd) 的异构集成 (hi);卓越的可扩展性;整体3d系统集成。



(a) 芯片分割前的soc;(b)、(c)、(d) 由 soic 技术实现的变体分区小芯片和重新集成方案 (图片来自台积电)


03

集成系统的定义,特色和意义


集成电路 (ic)的定义,就是将晶体管、电阻、电容和电感等元器件及互连线制作(集成)在一小块半导体芯片或介质基片上,形成具有预期功能的电路。即所有元器件在结构上已组成一个整体,使电路向着高密度、大规模、小型化、低功耗、低成本和高可靠性方向发展。


集成系统(is)的定义,则是将各种芯片、传感器、元器件、天线、互连线等制作(集成)在一个基板上,形成具有预期功能的系统。即所有芯片与元器件在结构上组成一个整体,使系统向着高密度、小型化、强功能、低功耗、低成本、高可靠、易设计、易制作方向发展。


集成系统主要有3大特色:


一、从顶层开始设计可大大提高效率。系统规划,协同设计,融合制造,一体化集成。


二、涵盖5大跨度,即跨尺度,跨材料,跨工艺,跨维度,跨物理的集成技术。


三、在集成系统中,芯片只是组成部分之一,如果顶层设计的好,芯片的功能作用可被弱化,不用先进的芯片同样能实现需要的系统功能,比如利用芯粒(chiplet)技术、ip技术。用相对较落后的工艺,实现相对较为先进的系统功能,这样可以降低对尖端半导体设备的依赖。


集成系统的3点意义:


一、实现从电路集成向系统集成的跨越。


二、它是后摩尔时代,整个集成电路发展的重要方向之一。


三、它是中国半导体产业实现变道超车发展的突破口和历史机遇。


毛军发表示,如果说过去60年是集成电路的时代,现在可以大胆的预测,未来60年很可能是集成系统的时代。此预测是否准确,尚待实践检验。


另外,他还指出,“集成系统”概念已经提出,但现在全球没有完全符合其特征的技术,但存在一些技术雏形:


一、如芯粒(chiplet)技术。芯粒是小型模块化芯片,可以组合形成完整的片上系统 (soc)。它们被设计用于基于芯粒的架构,其中多个芯粒连接在一起以创建单个复杂的集成电路。


二、封装中的天线(aip)技术。此技术就是把天线做到封装里,通过一体化实现封装系统小型化,将带宽加宽,将差损减小。


三、多功能无源元件技术。此技术就是用一个元件,实现过去五、六种分离元件结合在一起才实现的功能。




04

异质集成技术


当前最能体现上述3类技术雏形的,就是半导体异质集成技术。它指的是将不同工艺节点的化合物半导体coms器件或芯片集成在一起,以突破单一工艺的功能与性能极限,实现强大的复杂功能、优异的综合性能。毛军发指出,集成系统技术雏形早就有了,只不过不这么叫而已,而异质集成技术是集成系统最有力的技术手段。


据介绍,美国的微电子计划(jump)内容很丰富,其重点之一就是异质集成。美国希望通过异质异构,使整个电子系统性能(探测能力和速度)再提升100倍,功耗成本降至当前的1%。它的效果就跟过去摩尔定律的效果相似,只不过技术手段不一样。它绕开了摩尔定律的发展方向,通过异质集成的方式实现目标。同时,毛军发还指出,欧盟、日本、中国台湾地区,都在做这方面的研究,中国的上海交大、中电集团、中科院、长电科技等也有一些相关研究。


在提及3d异质集成的进展时,毛军发特别指出,ibm三维的异质集成电路技术纳入了逻辑、存储、射频、光电子和传感器,它是典型的异质集成技术的体现。


05

集成系统的发展趋势和面临的挑战


对于异质集成的未来发展,毛军发认为,集成系统的发展趋势跟集成电路发展相似,它的工作速度和集成度会不断提高,但有一点比较特殊——它是通过将电、光、机,甚至包括生物传感器,进行一体化集成,实现强大的系统功能。


鉴于此,业界所面对的挑战仍非常严峻。他将其概括为3点:


一是多物调控,包括电力、温度、应力等。


二是多性能协同,涉及信号/电源完整性、热、力等。


三是多材质融合,则涵盖硅、化合物半导体、cu、bcb等。


另外,他还表示,跟摩尔定律相对应,集成系统也有定律。它指的是一个系统里所集成的芯片数和元器件数量,也会在一段时间内翻一翻,其成本会下降一半等。


为了解决上述挑战,业界仍需解决5个关键科学技术问题(当然还有其他):


一、集成系统体系架构。与芯片架构概念类似,集成系统架构也非常重要。如何把一个复杂的电子系统,分解成不同的功能与性能,然后再选择恰当的工艺组合和封装集成的模式。


二、自动化智能化协同设计。其涉及电信号、机械信号、机械性能和温度特性,它们之间是相互矛盾的,但也需要协同。比如有源和无源电路的,有数字的和模拟的,有微波和的毫米波的,甚至包括光电的,它们之间非常复杂,既需要传统的自动化,也需要智能化的协同设计。


三、工艺,特别是异质界面生成与工艺量化调控机理。毛军发表示:“过去的工艺设计和优化都是定性的,就是靠工程师经验进行优化和调控,我们希望通过多物理场计算,把这些工艺参数能以定量的量化形式予以控制。”


四、无源元件天线的小型化,这是针对射频系统而言的。打开手机可以看到,滤波器和天线占据整个手机板面积的80%。把滤波器、电感、天线做小,是将整个系统做小的关键所在。但是滤波器、天线的性能与尺寸有点矛盾,尺寸越小它的性能越差。


五、集成系统的可测性。因为基础性底盘(多种材料、工艺的元器件、天线、芯片)都是三维集成,它的可测试点是有限的,如果有限的测试数据中繁衍出一些缺陷,这也会给研究带来挑战。


来源:国际电子商情微信公众号


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