ICT核心器件發(fā)展展望

李爾平

[摘要] 通過分析ICT發(fā)展對中國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要意義，指出在中國發(fā)展ICT，重點(diǎn)在于發(fā)展高性能核心電子及光子器件，并提出了目前兩項(xiàng)最具影響力的新型技術(shù)——三維集成技術(shù)和光電子技術(shù)。認(rèn)為三維集成技術(shù)以其獨(dú)特優(yōu)勢，成為未來微納光電子的發(fā)展方向；而光電子技術(shù)在ICT發(fā)展中也正扮演著越來越重要的角色，是未來超高速通信的橋梁。

[關(guān)鍵詞] ICT；核心電子器件；摩爾定律；三維集成技術(shù)；光電子技術(shù)

信息通信產(chǎn)業(yè)是支撐中國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵支柱產(chǎn)業(yè)之一，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界經(jīng)濟(jì)的信息化和全球化發(fā)展趨勢日益明顯，ICT促進(jìn)中國整體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)換和升級，成為推動(dòng)中國經(jīng)濟(jì)增長的重要手段，支撐著國家的可持續(xù)發(fā)展。

大力發(fā)展ICT是中國中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展方向的重要課題，符合國家的重大戰(zhàn)略需求。在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中提到“重點(diǎn)開發(fā)高性能的核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和傳輸設(shè)備、接入設(shè)備，建立可信的網(wǎng)絡(luò)管理體系，開發(fā)智能終端和家庭網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備和系統(tǒng)，支持多媒體、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算等寬帶、安全、泛在的多種新業(yè)務(wù)與應(yīng)用[1]”。2015年5月，國務(wù)院公布《中國制造2025》規(guī)劃，在新一代ICT產(chǎn)業(yè)中闡述：“掌握新型計(jì)算、高速互聯(lián)、先進(jìn)存儲、體系化安全保障等核心技術(shù)，超高速大用量智能光傳輸技術(shù)、未來網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)和體系架構(gòu)，推動(dòng)核心信息通信設(shè)備體系化發(fā)展與規(guī)?；瘧?yīng)用[2]”。

經(jīng)過30多年的發(fā)展，中國信息通信系統(tǒng)整機(jī)和設(shè)備制造能力已經(jīng)位居世界前列，例如在光通信領(lǐng)域，自主整機(jī)產(chǎn)品已占全球網(wǎng)絡(luò)的2/5，光接入設(shè)備占全球的3/4，光纖光纜占全球的1/2。但中國在ICT核心電子器件技術(shù)領(lǐng)域還處于跟跑階段，單在2013年中國集成電路進(jìn)口2 322億美元，超過原油進(jìn)口，信息產(chǎn)業(yè)的“芯”在外。制約中國ICT核心電子技術(shù)發(fā)展的突出問題包括電子器件加工設(shè)備研發(fā)實(shí)力薄弱，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的電子器件工藝平臺以及芯片模塊化封裝和測試分析技術(shù)落后等。ICT核心電子器件在無線通信、高性能計(jì)算、智能交通、遠(yuǎn)程醫(yī)療、航空航天和深空探測，以及與國家安全相關(guān)的空天平臺上通信、雷達(dá)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)中的應(yīng)用舉足輕重。因此，為了確保中國ICT在國際上的可持續(xù)引領(lǐng)作用和對國民經(jīng)濟(jì)的重大貢獻(xiàn)，必須從基礎(chǔ)的核心電子器件出發(fā)，重點(diǎn)發(fā)展ICT核心電子器件的相關(guān)技術(shù)。

1 ICT核心器件發(fā)展的重大技術(shù)挑戰(zhàn)

半個(gè)世紀(jì)以來，微納光電子技術(shù)一直遵循摩爾定律，即芯片的集成度每18個(gè)月翻一番。對于電子器件小型化和多功能的需求已促使集成電路內(nèi)的晶體管尺寸減小到了10 nm以下。但是，這一縮小的趨勢受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其關(guān)鍵問題在于幾下幾點(diǎn)。

（1）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝已經(jīng)逼近物理極限。首先，隨著特征尺寸的不斷降低，金屬互連的延遲、功耗和噪聲等在不斷增加，互連已經(jīng)取代晶體管成為決定集成電路性能的主要因素及限制其未來發(fā)展的真正瓶頸。其次，能耗密度的急劇增加也限制了高性能集成電路的發(fā)展。高度集成電路的能耗密度大幅提高，已經(jīng)達(dá)到每平方厘米100 W，使得芯片直接散熱和冷卻技術(shù)面臨很大的挑戰(zhàn)。如圖1所示，多核高性能處理器對數(shù)據(jù)帶寬的要求不斷增加，而現(xiàn)有的互連以及目前的二維平面集成技術(shù)已經(jīng)無法滿足多核處理器對高速、寬帶的數(shù)據(jù)通信的要求，功耗問題已是影響時(shí)鐘速率提升的關(guān)鍵問題。最后，更小尺寸的硅加工技術(shù)也是微電子進(jìn)一步小型化面臨的挑戰(zhàn)。

（2）系統(tǒng)集成各種功能模塊需要多種工藝的支持。當(dāng)前的嵌入式系統(tǒng)依賴系統(tǒng)芯片（SoC）實(shí)現(xiàn)，SoC集成可實(shí)現(xiàn)存儲器、數(shù)字電路、模擬電路、射頻電路、大功率電路、光/電器件、電源管理電路、傳感器電路等多種功能模塊的集成。有些電路模塊在特征尺寸減小時(shí)并不一定能提高性能，如射頻電路模塊。由于以上原因，很難將眾多的電路均以最佳性能、利用同一工藝集成到一塊SoC芯片中，或者單片SoC集成的成本過高。此外，高密度集成導(dǎo)致管腳開銷急劇增加。

（3）現(xiàn)有光電器件的系統(tǒng)集成方式速度低、損耗大。無線基站系統(tǒng)通常需要由光纖傳輸?shù)墓庑盘柡陀蔁o線信道傳輸?shù)纳漕l信號之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于光信號和電信號的處理電路依賴不同工藝，無法在單一芯片上集成，因此在現(xiàn)有的系統(tǒng)方案中，這兩部分電路只能以分立器件進(jìn)行系統(tǒng)集成，這種方式造成信號轉(zhuǎn)換過程中的損耗極大而且速度低，大大降低了系統(tǒng)的性能。

（4）系統(tǒng)級封裝（SiP）是一種被廣泛采用的高集成度的方法，通過直接在封裝層次集成多個(gè)芯片來提高集成度并解決不同工藝集成的問題。但是一些SiP電路中需要用小尺寸工藝芯片驅(qū)動(dòng)較大的外接負(fù)載，功耗依然很高。

為解決如上所述的問題，業(yè)界提出了幾個(gè)重要的技術(shù)，其中最具影響力的為垂直互連的三維器件集成技術(shù)和光電子技術(shù)。

2 三維集成技術(shù)——超越摩爾定律

如圖2所示的三維集成技術(shù)的基本思想是在垂直方向疊加芯片，并使用垂直硅通孔（TSV）互連[3]為各芯片之間提供直接、短距離的電路連接。三維集成電子器件和硅通孔技術(shù)使芯片能夠更有效地安排空間版圖，減少連線長度，總體連接縮短大約30%～40%，從而顯著提高封裝密度，提高芯片速度。此外，三維集成允許不同工藝的芯片以自然的方式集成，如可以將無線芯片、傳感器、光子器件、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）及CMOS芯片集成在一個(gè)芯片上。因此，三維集成技術(shù)為目前集成電路面臨的數(shù)據(jù)傳輸帶寬、芯片功耗和速度以及異質(zhì)芯片集成等問題提供了切實(shí)可行的解決途徑[4]。三維集成電路和硅通孔技術(shù)將推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)向延續(xù)摩爾定律和超越摩爾定律發(fā)展，國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖（ITRS）也將以垂直硅通孔為基礎(chǔ)的三維集成列為微納光電子科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的一個(gè)非常重要的方向[5]。

三維集成技術(shù)對集成電路領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響，也帶來了一系列挑戰(zhàn)。首先，由于片上有許多硅通孔（幾千甚至上萬），需要占用片上面積，必須用小孔徑以減少通孔所占用面積，因此研究小孔徑及高深寬比的制造工藝及集成技術(shù)，是極具挑戰(zhàn)的技術(shù)。其次，三維集成的散熱問題比二維集成重要許多， 這是由于三維高集成度使電路系統(tǒng)的“表面積-體積”比下降很多，進(jìn)而使得散熱更加困難，尋求更先進(jìn)熱管理技術(shù)對于三維集成至關(guān)重要。除此之外，高度集成的電路結(jié)構(gòu)對于電、熱、應(yīng)力的可靠性研究，設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)規(guī)則以及測量測試方法也都提出了新的要求。綜上所述，三維集成有其獨(dú)特的優(yōu)勢，是未來微納光電子的發(fā)展方向，但目前還存在著關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，如熱管理問題、垂直信號傳輸機(jī)制與制造技術(shù)等問題，解決這些關(guān)鍵技術(shù)是未來的研究重點(diǎn)。