未來(lái)芯片技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)分析*

王立娜 唐 川 徐 婧

（1.中國(guó)科學(xué)院成都文獻(xiàn)情報(bào)中心，成都610041；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院圖書情報(bào)與檔案管理系，北京100049）

信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化是引領(lǐng)當(dāng)前科技、產(chǎn)業(yè)乃至社會(huì)變革的時(shí)代大潮，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是順應(yīng)這一時(shí)代潮流的根基性、戰(zhàn)略性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是衡量一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平乃至綜合國(guó)力的重要指標(biāo)。從1985年的日美《廣場(chǎng)協(xié)議》到中興事件、華為實(shí)體名單，再到日本將韓國(guó)移出貿(mào)易優(yōu)惠“白名單”，半導(dǎo)體一直是大國(guó)之間貿(mào)易戰(zhàn)、科技戰(zhàn)和經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)的主戰(zhàn)場(chǎng)，芯片技術(shù)則是各方激烈爭(zhēng)奪的戰(zhàn)場(chǎng)制高點(diǎn)。當(dāng)前，主導(dǎo)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的摩爾定律正遭遇物理學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)雙重極限，一批未來(lái)芯片技術(shù)被寄予厚望，各國(guó)政企紛紛布局，有望給多年來(lái)固化的國(guó)際半導(dǎo)體競(jìng)爭(zhēng)格局帶來(lái)變數(shù)。在此背景下，本文對(duì)全球未來(lái)芯片技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行了剖析和討論，并對(duì)我國(guó)未來(lái)芯片發(fā)展提出了建議。

1 未來(lái)芯片技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，原子尺度硅材料的基本物理限制使得由摩爾定律驅(qū)動(dòng)的硅技術(shù)演進(jìn)路徑似乎正快速接近終點(diǎn)［1］。隨著摩爾定律走向終結(jié)，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、超級(jí)計(jì)算及其相關(guān)應(yīng)用卻提出了更高的性能要求，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)步入亟需轉(zhuǎn)變突破發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)，芯片架構(gòu)、材料、集成、工藝和安全方面的創(chuàng)新研究成為新的突破方向。

1.1 新型晶體管技術(shù)

1.1.1 新架構(gòu)晶體管技術(shù)

鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Fin Field-Effect Transistor，F(xiàn)inFET）是當(dāng)前主流半導(dǎo)體制造工藝采用的晶體管架構(gòu)，成功地推動(dòng)了從22納米到7納米等數(shù)代半導(dǎo)體工藝的發(fā)展［2，3］，并將拓展到5納米和4納米工藝節(jié)點(diǎn)［4-6］。全環(huán)柵晶體管（Gate-All-Around Field-Effect Transistors，GAAFET）是一種繼續(xù)延續(xù)現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)路線壽命的較主流技術(shù)，可進(jìn)一步增強(qiáng)柵極控制能力，克服當(dāng)前技術(shù)的物理縮放比例和性能限制。從3納米開始，韓國(guó)三星電子將放棄FinFET架構(gòu)轉(zhuǎn)向GAAFET架構(gòu)，計(jì)劃在2020年底進(jìn)行3納米GAAFET產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)試生產(chǎn)［7］，2021年底進(jìn)行批量生產(chǎn)。3納米以下晶體管潛在技術(shù)包括互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Complementary Field-Effect Transistors，CFET）、垂直納米線晶體管、負(fù)電容場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Negative Capacitance Field-Effect Transistors，NC-FET）、隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Tunnel Field-Effect Transistor，TFET）等［8，9］。

1.1.2 新材料晶體管技術(shù)

研究硅基材料的替代材料，開發(fā)新型電子器件是解決當(dāng)前芯片發(fā)展瓶頸的另一種解決方法。當(dāng)前，替代性半導(dǎo)體材料主要包括第三代半導(dǎo)體材料、碳基納米材料、二維半導(dǎo)體材料等。

第三代半導(dǎo)體材料包括碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁、氧化鎵等為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料［10］，可實(shí)現(xiàn)高壓、高溫、高頻、高抗輻射能力，被業(yè)內(nèi)譽(yù)為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”及光電子和微電子產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動(dòng)機(jī)”［11］。目前，碳化硅晶體管和氮化鎵晶體管的研發(fā)相對(duì)較為成熟，推動(dòng)著5G通信技術(shù)、新能源汽車、光電器件等市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，其他第三代半導(dǎo)體材料尚屬于初級(jí)研究階段。德國(guó)英飛凌公司已開發(fā)出系列碳化硅金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和分立器件。美國(guó)Cree公司于2019年宣布投資10億美元打造碳化硅超級(jí)制造工廠，將碳化硅晶圓制造能力提高30倍，以滿足2024年的預(yù)期市場(chǎng)增長(zhǎng)［12］。宜普電源轉(zhuǎn)換公司早在2009年就推出第一款商用增強(qiáng)型氮化鎵晶體管，目前面向無(wú)線電源傳送、全自動(dòng)汽車、高速移動(dòng)通信、低成本衛(wèi)星、醫(yī)療護(hù)理等應(yīng)用提供100多種氮化鎵產(chǎn)品［13］。日本 AGC公司已聯(lián)合 Novel Crystal Technology公司開發(fā)氧化鎵晶片［14］。

石墨烯和碳納米管是有望取代硅延續(xù)摩爾定律的碳基納米材料。石墨烯具有非常優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)等特性，可通過(guò)微納加工工藝實(shí)現(xiàn)各種類型和功能的器件，現(xiàn)已開發(fā)出基于石墨烯的晶體管、二極管、存儲(chǔ)器、集成電路、電池、超級(jí)電容器、熱電器件、太陽(yáng)能電池、光電探測(cè)器、傳感器等電子和光電子器件［15］。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所于2019年10月制備出“硅-石墨烯-鍺晶體管”，大幅縮短延遲時(shí)間，并將截止頻率由兆赫茲提升至吉赫茲。近年來(lái)，基于碳納米管的碳基電子學(xué)研究也取得了飛速發(fā)展，并逐漸從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用［16］。美國(guó)麻省理工學(xué)院于2019年開發(fā)出迄今為止用碳納米管制造的最大計(jì)算機(jī)芯片，一顆由1.4萬(wàn)余個(gè)碳納米管晶體管（Carbon Nanotube Field-Effect Transistors，CNFET）組成的16位微處理器，證明可以完全由CNFET打造超越硅的微處理器。

高質(zhì)量的二維材料是潛在的下一代替代材料，但距離傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)至少還有十年的時(shí)間［17］。除石墨烯外，較有希望的二維材料包括二硒化鎢和二硫化鉬等過(guò)渡金屬二鹵化物，但仍處于初級(jí)研究階段［18］。

1.2 新型存儲(chǔ)器芯片技術(shù)

當(dāng)前，靜態(tài)存儲(chǔ)器（Static Random-Access Memory，SRAM）、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（Dynamic Random-Access Memory，DRAM）、閃存等主流存儲(chǔ)器面臨著難以逾越的固有技術(shù)局限和工藝挑戰(zhàn)。以相變存儲(chǔ)器（Phase-Change Memory，PCM或 PCRAM）、磁性存儲(chǔ)器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、阻性存儲(chǔ)器（Resistive Random Access Memory，ReRAM）、鐵電存儲(chǔ)器（Ferroelectric Random Access Memory，F(xiàn)RAM）、碳納米管存儲(chǔ)器（Nanotube Random AccessMemory，NRAM）為代表的新型存儲(chǔ)器能夠帶來(lái)獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，但均采用新材料制造且工藝嚴(yán)苛，大規(guī)模量產(chǎn)仍需一定的時(shí)間。其中，PCM、MRAM、ReRAM是普遍認(rèn)為最有前途的新型非易失性存儲(chǔ)器［19］。PCM具有成本低和3D可伸縮性等特性，有望取代部分基于DRAM的高端固態(tài)硬盤；MRAM具有讀寫速度快、功耗低、成本低等特性，正在成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備存儲(chǔ)器的領(lǐng)先候選者；ReRAM具有讀寫速度快和功耗低等顯著的性能優(yōu)勢(shì)，有望帶來(lái)高密度和低成本存儲(chǔ)應(yīng)用［20］。據(jù)美國(guó)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析公司Coughlin Associates報(bào)告顯示，MRAM和自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩磁性存儲(chǔ)器（Spin-Torque Transfer Magnetoresistive Random AccessMemory，STT-MRAM）將在幾年內(nèi)取代或非門閃存；ReRAM是閃存的潛在替代品，但至少仍需十年時(shí)間才能完全實(shí)現(xiàn)［21］。

1.3 新架構(gòu)芯片技術(shù)

1.3.1 存內(nèi)計(jì)算芯片

存內(nèi)計(jì)算是由一系列迅速融合的軟件技術(shù)和硬件架構(gòu)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)的，突破了傳統(tǒng)存儲(chǔ)與計(jì)算分離架構(gòu)對(duì)運(yùn)算能力的限制，在性能、可擴(kuò)展性和分析復(fù)雜性方面有了顯著的改進(jìn)，主要用于數(shù)據(jù)密集型計(jì)算的處理［22］。人工智能和新型存儲(chǔ)器是推動(dòng)存內(nèi)計(jì)算發(fā)展的主要需求，因此預(yù)計(jì)存內(nèi)計(jì)算芯片將出現(xiàn)兩種形態(tài)，一種為帶有計(jì)算功能的存儲(chǔ)器模塊，另一種為基于存內(nèi)計(jì)算的人工智能加速芯片［23］。美國(guó)密歇根大學(xué)開發(fā)了全球首個(gè)基于憶阻器陣列的存算一體通用人工智能芯片，可快速、低能耗地執(zhí)行多種人工智能算法［24］。合肥恒爍半導(dǎo)體科技公司與中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)的我國(guó)首款超低功耗存算一體人工智能芯片系統(tǒng)演示順利完成，具有邊緣計(jì)算和推理能力［25］。

1.3.2 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專用芯片

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是識(shí)別和歸類聲音、圖像、文本等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)模型，目前大多數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和推理任務(wù)由圖形處理器（Graphics Processing U-nit，GPU）完成。在加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算時(shí)，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專用芯片具有比中央處理器（Central Processing Unit，CPU）和GPU更高的性能和更低的功耗。谷歌大規(guī)模部署了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的張量處理器（Tensor Processing Unit，TPU）芯片［26］，英特爾、亞馬遜、華為、阿里等巨頭也分別研制了自己的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，寒武紀(jì)、Graphcore等新創(chuàng)公司開發(fā)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專用芯片受到了歡迎。

1.3.3 神經(jīng)形態(tài)芯片

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算是一種通過(guò)構(gòu)建類似動(dòng)物大腦結(jié)構(gòu)的計(jì)算架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)能夠模擬神經(jīng)生物過(guò)程的智能系統(tǒng)的新型計(jì)算模式，它能極大提升計(jì)算系統(tǒng)的感知與自主學(xué)習(xí)能力，可以應(yīng)對(duì)當(dāng)前十分嚴(yán)峻的能耗問(wèn)題，并有望顛覆現(xiàn)有的數(shù)字技術(shù)。盡管美國(guó)與歐盟等國(guó)家對(duì)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算都投入了大量研發(fā)資源，麻省理工學(xué)院、普渡大學(xué)、斯坦福、IBM、惠普等大學(xué)和公司開展了眾多探索性研究工作，但神經(jīng)形態(tài)芯片仍處于非常早期的原型階段。英特爾推出一款名為“Pohoiki Beach”的新型神經(jīng)形態(tài)芯片，內(nèi)含800萬(wàn)神經(jīng)元，速度比現(xiàn)有的CPU快近千倍，效率高近萬(wàn)倍，而耗電量?jī)H為百分之一，所用架構(gòu)為進(jìn)一步擴(kuò)展神經(jīng)元數(shù)量奠定了基礎(chǔ)［27］。清華大學(xué)開發(fā)出全球首款異構(gòu)融合類腦計(jì)算芯片——“天機(jī)芯”，由多個(gè)高度可重構(gòu)的功能性核組成，可同時(shí)支持機(jī)器學(xué)習(xí)算法和類腦計(jì)算算法，已成功在無(wú)人駕駛自行車上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)［28］。

1.3.4 量子計(jì)算芯片

作為一種借助量子力學(xué)理論改進(jìn)的計(jì)算模型，量子計(jì)算可超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的計(jì)算速度。近20多年來(lái)，量子計(jì)算取得了諸多突破性進(jìn)展，但量子計(jì)算系統(tǒng)仍須在規(guī)?；?、噪聲、互聯(lián)方面獲取重大突破才能提供商業(yè)價(jià)值。量子計(jì)算芯片已獲得了大量資金的支持，諸多大學(xué)和企業(yè)實(shí)驗(yàn)室都在開展研究。半導(dǎo)體量子芯片完全基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝，更容易達(dá)到要求的量子比特?cái)?shù)目，只要科學(xué)家能在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)樣品芯片，其大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)理論上講就不存在問(wèn)題，這是它大大超越其它量子計(jì)算方案的優(yōu)勢(shì)所在。Intel公司在量子計(jì)算機(jī)研制方面就選擇了硅量子點(diǎn)技術(shù)，于2018年研制出首臺(tái)采用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)硅芯片制造技術(shù)的量子計(jì)算機(jī)。澳大利亞新南威爾士大學(xué)開發(fā)出了全球首款3D原子級(jí)硅量子芯片架構(gòu)，朝著大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)邁出了重要一步［29］。目前，中國(guó)本源量子公司已與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作研發(fā)出第一代半導(dǎo)體二比特量子芯片“玄微”。

1.3.5 光電集成芯片

光電集成芯片是指利用光子與微電子技術(shù)將光子元件和電子元件集成在一起的集成電路，具有高傳輸帶寬、快傳輸處理速度、高集成度和低成本等優(yōu)點(diǎn)［30］。在美國(guó)、歐盟、英國(guó)、日本等國(guó)家/地區(qū)一系列戰(zhàn)略布局的推動(dòng)下，光電集成芯片取得了一定的重要研究進(jìn)展，但此芯片技術(shù)研究仍處于起步階段［31］。荷蘭研究人員開發(fā)出快速且高能效光子存儲(chǔ)器，有望徹底變革未來(lái)光子集成電路的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程［32］。日本電信電話公司在處理器中引入光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)出集成納米光子學(xué)技術(shù)的芯片，實(shí)現(xiàn)了超小型光電變換元件［33］。

此外，隨著Intel芯片、ARM芯片和AMD芯片安全漏洞的持續(xù)暴露，芯片設(shè)計(jì)漏洞檢測(cè)成為未來(lái)芯片技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)考慮因素之一。2019年，美國(guó)斯坦福大學(xué)開發(fā)出兩種人工智能算法，能夠更快地檢測(cè)芯片前端和后端設(shè)計(jì)漏洞，縮減芯片驗(yàn)證周期［34］；密歇根大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)出一種新的處理器架構(gòu)，所開發(fā)的“MORPHEUS”芯片可每秒20次加密和隨機(jī)重編關(guān)鍵數(shù)據(jù)比特，遠(yuǎn)快于人類黑客和電子黑客技術(shù)的反應(yīng)速度，進(jìn)而主動(dòng)抵御未來(lái)威脅［35］。

2 未來(lái)芯片技術(shù)成熟度

美國(guó)高德納咨詢（Gartner）公司提出的技術(shù)成熟度曲線（The Hype Cycle）是對(duì)各種新技術(shù)的一般發(fā)展模式的圖形描述［36］，是一種評(píng)估技術(shù)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)潛力的工具。橫軸表示一項(xiàng)技術(shù)從原型概念到成熟隨時(shí)間發(fā)展依次經(jīng)歷的五個(gè)階段，依次為萌芽期、過(guò)熱期、幻想破滅期、復(fù)蘇期和成熟期；縱軸表示大眾對(duì)技術(shù)未來(lái)市場(chǎng)價(jià)值的期望值，距主流應(yīng)用所需時(shí)間表示技術(shù)的未來(lái)發(fā)展速度。

本文基于Gartner公司的技術(shù)成熟度曲線工具包［37］，遴選出潛在17項(xiàng)未來(lái)芯片技術(shù)，剖析了未來(lái)芯片技術(shù)的成熟度，如圖1所示（需要說(shuō)明的是，Gartner技術(shù)成熟度曲線工具包不含石墨烯芯片、碳納米管芯片、量子計(jì)算芯片技術(shù)，故本文采用范圍更廣泛的量子計(jì)算、石墨烯、碳納米管技術(shù)來(lái)反映這三大未來(lái)芯片技術(shù)的成熟度）。

正處于萌芽期的技術(shù)包括氧化鎵晶體管、神經(jīng)形態(tài)硬件、下一代晶體管（如納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管、碳納米管晶體管、2D單分子膜晶體管等），業(yè)界對(duì)這三大技術(shù)的期望值越來(lái)越高，但用戶的需求和產(chǎn)品并不成熟，這些技術(shù)至少還需要5年或10年以上才有望帶來(lái)主流應(yīng)用。

圖1 未來(lái)芯片技術(shù)成熟度曲線Fig.1 The Hype Cycle for Future Chip

大量未來(lái)芯片技術(shù)正處于過(guò)熱期，包括阻性存儲(chǔ)器、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專用芯片、量子計(jì)算、硅基氮化鎵晶體管、石墨烯、碳納米管、碳化硅晶體管、碳納米管存儲(chǔ)器，這些技術(shù)獲得了媒體和風(fēng)險(xiǎn)投資的廣泛關(guān)注，并在少量關(guān)鍵用戶中投入初期應(yīng)用。除量子計(jì)算需要10年以上才能成為主流應(yīng)用外，處于過(guò)熱期的其他未來(lái)芯片技術(shù)普遍有望在5～10年帶來(lái)主流應(yīng)用，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專用芯片只需要2～5年。

由于當(dāng)前產(chǎn)品的成熟度難以滿足過(guò)高的期望，自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩磁性存儲(chǔ)器、芯片互聯(lián)中的硅光子技術(shù)、相變存儲(chǔ)器正處于幻想破滅期，人們對(duì)這些技術(shù)的關(guān)注度正快速降低，同時(shí)出現(xiàn)大量負(fù)面評(píng)價(jià)。技術(shù)供應(yīng)商正在改進(jìn)相關(guān)產(chǎn)品，推動(dòng)這些技術(shù)和產(chǎn)品達(dá)到市場(chǎng)預(yù)期。自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩磁性存儲(chǔ)器和相變存儲(chǔ)器有望在2～5年內(nèi)成為主流應(yīng)用，芯片互聯(lián)中的硅光子技術(shù)則需要5～10年。

存內(nèi)計(jì)算正處于復(fù)蘇期，相關(guān)產(chǎn)品愈發(fā)成熟，有望在2～5年內(nèi)成為主流應(yīng)用。

3 未來(lái)芯片技術(shù)的市場(chǎng)前景

為剖析未來(lái)芯片技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用前景，本文基于Gartner技術(shù)成熟度曲線工具包［37］從市場(chǎng)滲透率和潛在效益等級(jí)角度對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行了歸類，如表1所示。未來(lái)芯片技術(shù)的潛在效益包括“變革性”“高”“中”三個(gè)等級(jí)，市場(chǎng)滲透率以當(dāng)前技術(shù)市場(chǎng)占預(yù)期目標(biāo)市場(chǎng)的百分?jǐn)?shù)表示。其中，“變革性”表示所屬技術(shù)將開創(chuàng)新的業(yè)務(wù)方式，導(dǎo)致行業(yè)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變；“高”表示所屬技術(shù)將推動(dòng)現(xiàn)有行業(yè)橫向和縱向拓展，大幅提升企業(yè)收益或節(jié)約成本；“中”表示所屬技術(shù)將逐步改進(jìn)現(xiàn)有行業(yè)，幫助企業(yè)提升收益或節(jié)約成本［36］。

可見(jiàn)，碳納米管和神經(jīng)形態(tài)硬件是潛在市場(chǎng)效益最高、市場(chǎng)滲透率卻最低的未來(lái)芯片技術(shù)，技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)最高，適合以科研機(jī)構(gòu)為主開展嘗試性前沿探索研究；相變存儲(chǔ)器和自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩磁性存儲(chǔ)器是當(dāng)前市場(chǎng)滲透率處于中等級(jí)別的未來(lái)芯片技術(shù)，技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，未來(lái)可依潛在市場(chǎng)效益級(jí)別確定研發(fā)布局力度；存內(nèi)計(jì)算是潛在市場(chǎng)效益和市場(chǎng)滲透率均最高的未來(lái)芯片技術(shù)，目前處于早期主流應(yīng)用階段，技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)最低，值得大力布局技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化研究。

4 啟示與建議

芯片是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要根基，半導(dǎo)體芯片技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)不僅僅是科技或產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，還直接影響著各國(guó)在政治、經(jīng)濟(jì)、國(guó)家安全等領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)。基于未來(lái)芯片技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)的分析，本文為我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的工作提出以下建議。

表1 未來(lái)芯片技術(shù)的市場(chǎng)滲透率與效益等級(jí)情況Tab.1 The Market Penetration and Benefit Rating for Future Chip

1）制定未來(lái)芯片技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，打破國(guó)外壟斷格局

當(dāng)前，美國(guó)、日本、韓國(guó)、歐洲等國(guó)家和地區(qū)基本上壟斷了芯片產(chǎn)業(yè)鏈的高價(jià)值環(huán)節(jié)，建立了較難逾越的技術(shù)生態(tài)體系和知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘。我國(guó)難以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)高端通用芯片的國(guó)產(chǎn)化替代，仍需長(zhǎng)期的技術(shù)攻關(guān)和高昂的研發(fā)投入。在未來(lái)芯片的賽道上一些國(guó)家已提前部署，但還沒(méi)有國(guó)家真正建立領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，我國(guó)應(yīng)在“十四五”時(shí)期積極制定未來(lái)芯片技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，全面加強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān)，加速推動(dòng)即將步入成熟期技術(shù)的商業(yè)化，力爭(zhēng)在未來(lái)芯片技術(shù)自主可控方面實(shí)現(xiàn)歷史性突破。

2）梯次推進(jìn)未來(lái)芯片技術(shù)發(fā)展，平衡機(jī)遇與風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命加速演進(jìn)，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)并駕馭不確定性是一項(xiàng)孕育著巨大機(jī)遇的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。我國(guó)應(yīng)綜合評(píng)估未來(lái)芯片技術(shù)的當(dāng)前成熟度階段、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)、市場(chǎng)效益潛質(zhì)、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)格局和我國(guó)研究基礎(chǔ)，把握未來(lái)芯片市場(chǎng)航向，通過(guò)設(shè)立重大專項(xiàng)、開展重點(diǎn)前沿研究和嘗試性前沿探索、成立產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟、鼓勵(lì)/扶持初創(chuàng)企業(yè)等發(fā)展策略，分層推進(jìn)各項(xiàng)未來(lái)芯片技術(shù)梯次發(fā)展，指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)研發(fā)資金投入、研究力量構(gòu)建、商業(yè)化運(yùn)作中的資本運(yùn)營(yíng)等行動(dòng)，加快構(gòu)建未來(lái)芯片技術(shù)梯次發(fā)展格局。

3）重點(diǎn)推動(dòng)存內(nèi)計(jì)算技術(shù)研發(fā)和商業(yè)化，緩解卡脖子

隨著摩爾定律日趨終結(jié)，處理器和存儲(chǔ)器分離帶來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸延遲和損耗成為限制芯片性能的主要瓶頸，存內(nèi)計(jì)算技術(shù)是進(jìn)一步大幅提升芯片性能并降低功耗的解決方案。當(dāng)前，存內(nèi)計(jì)算技術(shù)即將進(jìn)入成熟期，市場(chǎng)滲透率高達(dá)20%～50%，未來(lái)潛在市場(chǎng)效益級(jí)別最高，屬于高回報(bào)低風(fēng)險(xiǎn)的未來(lái)芯片技術(shù)。我國(guó)相關(guān)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)應(yīng)充分把握此機(jī)遇，全面謀劃存內(nèi)計(jì)算技術(shù)研發(fā)和商業(yè)化發(fā)展，聯(lián)合開發(fā)存內(nèi)計(jì)算所需軟硬件技術(shù)，力爭(zhēng)取得一批關(guān)鍵核心技術(shù)突破，掌握一批自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，力爭(zhēng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)權(quán)。