集成電路產業(yè)技術發(fā)展趨勢探討

劉新陽/LIU Xinyang，晁沛蔭/CHAO Peiyin，李婷宇/LI Tingyu

（深圳市中興微電子技術有限公司，中國 深圳 518055）

1 宏觀環(huán)境變化帶來集成電路產業(yè)新形勢

1.1 國際集成電路產業(yè)形勢

集成電路是一個全球化的產業(yè)，參與全球化分工的各個國家、地區(qū)依托自身的優(yōu)勢，歷經數十年市場競爭，形成了當前的產業(yè)格局。美、歐、日、韓、中國是集成電路產業(yè)鏈的主要參與方。其中，美、歐、日在集成電路上游領域較強。美國整體優(yōu)勢最大，例如美國在電子設計自動化（EDA）、IP、裝備等領域均有明顯優(yōu)勢，歐洲在IP、裝備領域較強，而日本在材料、裝備方面占優(yōu)。2018年以來，中美科技競爭愈演愈烈，人工智能[1-5]、5G[6-9]等未來數字化、智能化產業(yè)升級的關鍵技術成為競爭焦點。作為算、存、傳、管、智數字化基礎設施的底層關鍵技術，集成電路更是受到前所未有的關注。圍繞集成電路產業(yè)的競爭逐漸從企業(yè)層面擴展到產業(yè)鏈甚至國家/地區(qū)層面。集成電路全球產業(yè)鏈的發(fā)展越來越具有不確定性。

2021年2月，拜登政府執(zhí)政之初就“美國供應鏈安全”簽署了14017號行政命令。同年6月，白宮發(fā)布了一份《供應鏈百日評估》報告，指出美國供應鏈存在的一系列漏洞，并要求“建立有彈性的供應鏈，振興美國制造業(yè)，促進廣泛的增長”。在這一報告的指導下，美國隨后密集出臺相關法令法規(guī)，一方面通過政策、金融、市場等多種手段加強其在前沿技術上的研發(fā)和市場優(yōu)勢，推動芯片生產制造端重新回歸美國國內，建設本土半導體制造產業(yè)鏈；另一方面在其政治盟友的基礎上構建產業(yè)鏈盟友圈，在降低自生供應鏈風險的同時遏制戰(zhàn)略對手獲得半導體相關技術和裝備。其中，影響力較大的法令法規(guī)包括：

· 2022年8月9日，美國通過《2022年芯片與科學法案》，向新興技術提供超過2 000億美元的投資，其中對美國本土芯片產業(yè)提供超過500億美元補貼，涵蓋半導體制造激勵、商業(yè)研發(fā)和勞動力發(fā)展、教育基金、國防基金、創(chuàng)新基金等，同時要求任何接受補貼的公司10年內禁止在“特定國家”擴大和新建芯片產能。

· 2022年8月12日，美國商務部工業(yè)和安全局（BIS）出臺新規(guī)定，限制全柵場效應晶體管（GAAFET）電子計算機輔助軟件（EDA/ECAD）、寬禁帶半導體材料氧化鎵（Ga2O3）和金剛石、壓力增益燃燒技術（PGC）等前沿技術出口。

· 2022年10月8日，BIS發(fā)布新規(guī)定，對出口管制條例（EAR）進行修訂，增加對先進計算芯片、超級計算機等的出口限制，并增加外國直接產品FDP腳注的公司名單，以及對美國人/美國公司的出口合規(guī)約束。本次修訂對中國企業(yè)獲取高性能計算芯片、超級計算機、半導體制造設備進行了嚴格限制。

· 2023年9月22日，美國商務部國家標準與技術研究所（NIST）發(fā)布了《芯片法案》（“CHIPS Act”）護欄條款實施細則，將所有位于中國的企業(yè)（不限于國有企業(yè)）列為受關注外國實體。

· 2023年10月18日，BIS修改出口管制條款，進一步收緊對先進計算和先進工藝的限制，展現(xiàn)了保持甚至拉大中美技術差距的戰(zhàn)略決心。

作為集成電路產業(yè)地圖上的重要成員，歐洲和日本在今年也相繼發(fā)布了相關法案。2023年1月24日，《歐洲芯片法案》草案和修正案通過，其配套的430億歐元資金與美國芯片法案接近。該法案主要目標是解決集成電路供應短缺問題，加強歐洲的技術領先地位，并制定措施，與成員國和國際合作伙伴一起應對未來供應鏈中斷的挑戰(zhàn)。僅3天后，就傳出美國已和荷蘭、日本就限制向中國出口一些先進的芯片制造設備達成協(xié)議的消息。2023年7月23日，日本修訂外匯與外貿法相關法令，對先進半導體制造所需的23個品類設備追加出口管制的措施開始正式生效。

可以看出，各國家/地區(qū)正在通過宏觀政策強化自身在集成電路產業(yè)鏈上的力量，這使全球化發(fā)展趨勢面臨更大的不確定性。在此背景下，加強集成電路產業(yè)鏈自立自強是中國必由之路。

1.2 中國集成電路產業(yè)形勢

在“十四五”產業(yè)數字化轉型政策的推動下，各行各業(yè)對人工智能、5G等技術的需求持續(xù)擴大。作為數字化底座的基礎技術，中國集成電路產業(yè)一方面受到市場需求的推動，對芯片特別是高端芯片的需求越來越大[10]，另一方面由于全球化產業(yè)鏈的發(fā)展面臨不確定性，供應端風險在增大。

習近平總書記說過，“關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的”。面對宏觀環(huán)境的不確定性，中國最具確定性的出路，就是打出政策、產業(yè)、技術和人才體系的全方位組合拳，對中國集成電路產業(yè)鏈形成有效推動力。

近年來，中國集成電路產業(yè)鏈在各個環(huán)節(jié)都取得長足進步：

· 裝備和材料實現(xiàn)從無到有，對成熟制程形成整體供給支撐能力，部分產品進入先進制程供應體系；

· 制造工藝技術取得長足進步，邏輯電路、三維閃存、內存均有突破，并實現(xiàn)量產；

· 封裝集成從中低端進入高端，傳統(tǒng)封裝規(guī)模世界第一，先進封裝達到國際先進水平，技術種類覆蓋90%；

· 設計能力得到大幅提升，處理器、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、通信系統(tǒng)級芯片（SoC）等高端芯片取得重大突破。

中國集成電路產業(yè)不斷攻克技術難題，產業(yè)鏈持續(xù)向上突破，并向產業(yè)生態(tài)體系化建設發(fā)展。

中國的集成電路產業(yè)在快速發(fā)展，但也存在發(fā)展時間短、關鍵領域處于落后位置的問題。中國的服務器、通用處理器在技術和市場上均取得快速提升，而國際領先者Intel、NVIDIA等公司也不斷推出新產品，他們不僅在先進工藝、先進封裝領域持續(xù)發(fā)展，還在領域定制、異構計算、Chiplet[11]等架構創(chuàng)新的推動下獲得性能領先。這使得中國同類產品與國際領先者的差距進一步拉大。中國迫切需要有競爭力的設計企業(yè)以實現(xiàn)產品競爭力的突破，需要在技術路線上堅持多元化發(fā)展，立足內循環(huán)，堅持雙循環(huán)，積極吸收和應用外部的先進技術和能力，以便更好地支撐千行百業(yè)的數字化升級。

2 未來技術發(fā)展趨勢

集成電路技術創(chuàng)新對國民經濟的發(fā)展非常重要，是經濟增長的觸發(fā)器。信息社會數字化轉型對數據獲取、存儲、處理需求的不斷增加，導致算力需求指數持續(xù)上升。集成電路產業(yè)技術發(fā)展的目標，是單位面積、單位功耗或單位成本下計算密度、存儲密度、連接密度的不斷提高。自2018年起，大模型蓬勃發(fā)展[12]。2023年ChatGPT的火爆更是為該領域發(fā)展按下加速鍵，全球科技企業(yè)與研究院校等紛紛推出自己的大模型。由此帶來的新一輪AI芯片對算力、存力、運力均提出更高需求，如圖1所示。

圖1 模型計算特征與芯片關鍵指標

在圖2中藍色為傳統(tǒng)卷積神經網絡（CNN）、循環(huán)神經網絡（RNN）等傳統(tǒng)模型訓練算力，紅色為大模型訓練算力，灰色為摩爾定律下硬件算力。該圖表明，隨著大模型參數量規(guī)模增長至千億甚至萬億量級，大模型訓練算力每2年提升750倍，芯片算力隨摩爾定律每2年提升2倍，大模型訓練所需算力增速已遠遠超過摩爾定律帶來的算力供應能力。隨著未來越來越多的大模型應用落地，更大的算力需求將被釋放。由于芯片算力=晶體管密度×芯片面積×利用率，因此算力的提升需要從3個方向同時發(fā)力，在先進工藝、先進封裝、架構創(chuàng)新等方向多路徑創(chuàng)新。

圖2 模型訓練計算量與摩爾定律隨時間發(fā)展增速對比[13]

2.1 先進工藝

晶體管密度的提升來自于先進工藝的不斷演進。數十年來，摩爾定律是集成電路技術發(fā)展的主旋律：每18～24個月實現(xiàn)性能、功耗、面積（PPA）性能翻倍，推動著集成電路從技術、產品到產業(yè)持續(xù)指數發(fā)展。盡管摩爾定律現(xiàn)在有所放緩，但是在光刻技術、材料、晶體管結構等的推動下仍在持續(xù)演進。如表1所示，工藝制程對PPA提升的貢獻是其他路徑所無法替代的。提高晶體管密度可以使產品集成度增加，從而可在單位面積上實現(xiàn)更多的功能；提升晶體管速度可以提高工作頻率，進而提升產品性能；降低晶體管功耗有助于減少整機功耗，從而讓產品變得更加節(jié)能。

▼表1 TSMC典型工藝節(jié)點對性能、功耗、面積（PPA）的提升

因此，國際領先的晶圓廠均在持續(xù)提高工藝水平。TSMC在晶圓代工制造領域仍處于絕對領先地位，主節(jié)點2年一代，保持持續(xù)領先優(yōu)勢?？梢灶A見，裝備技術和材料科學的持續(xù)進步，將為集成電路的持續(xù)微縮提供技術基礎，推動先進工藝制程在未來數年里繼續(xù)向1 nm節(jié)點發(fā)展。

2.2 先進封裝

在半導體制程工藝提升放緩的趨勢下，使用先進封裝實現(xiàn)更高集成度，可以擴展芯片面積，從而提升算力，這成為業(yè)界越來越關注的技術方向。先進封裝分為2.5D封裝和3D封裝。前者在二維平面擴展芯片面積，后者在三維豎直方向堆疊擴展芯片面積。硅通孔（TSV）技術是先進封裝的基礎技術之一。高密度高深寬比的TSV制備效果直接關系到集成技術的可靠性和良率等問題。

2.5D封裝可以通過扇出、硅橋、硅中介層、重分布中介層、混合中介層等方式實現(xiàn)。目前業(yè)界主流且已實現(xiàn)量產的代表技術包括CoWoS（TSMC）、InFO_oS（TSMC）、EMIB（Intel）等，如圖3所示。2.5D封裝需求強勁，尺寸和結構持續(xù)發(fā)展，其中大尺寸是發(fā)展趨勢。單芯片制造的最大面積上限由光刻機的光罩尺寸（reticle）決定。當前2.5D封裝尺寸可達3.3×reticle面積（3 000 mm2左右），未來2年預計可達6×reticle面積（5 000 mm2左右）。與此同時，晶圓級封裝也得到越來越多的應用。中國主流晶圓廠和封測廠等封裝產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)廠商紛紛建立2.5D先進封裝能力。

圖3 業(yè)界典型2.5D封裝和3D封裝技術

相比于2.5D封裝，3D封裝可以提供更高帶寬、更低延遲、更低功耗、更強系統(tǒng)集成能力。與此同時，3D封裝的封裝復雜度、成本也更高。目前，3D封裝在中央處理器/圖形處理器、存儲、光電合封芯片等領域都已經實現(xiàn)應用。同時，3D封裝從微凸點向混合鍵合演進，通過更高的互連密度來大幅提升帶寬。中國3D封裝在存儲領域已實現(xiàn)量產，邏輯芯片也已進入研發(fā)導入流程。

綜上所述，先進封裝有多種細分技術方向，在帶寬、封裝面積、信號完整性（SI）、電源完整性（PI）、熱管理、工藝成熟度和成本等方面各有不同，需要結合相應產品需求選擇匹配的封裝方案。

2.3 架構創(chuàng)新

圖靈獎獲得者J.M.HENNESSY和D.A.PATTERSON認為，CPU等通用架構處理器的性能增加越來越緩慢，未來10年將是體系結構發(fā)展的黃金年代。特定領域架構（DSA）的設計可以進一步提升系統(tǒng)性能。Google、Tesla等基于特定應用設計他們的DSA芯片。即便當前占據絕對市場的Nvidia GPGPU芯片也越來越多地通過融合DSA設計來提升性能。通過分析需求場景和算法特點，DSA可以發(fā)現(xiàn)不能被當前架構較好支持的部分，并能用指令粗粒度固化該部分進行加速計算，從而提高系統(tǒng)性能。然而DSA架構在軟件方面仍存在巨大挑戰(zhàn)，例如指令的碎片化會導致軟件適配的工作難以被下一代芯片復用。因此，架構設計的關鍵在于：根據算法趨勢和應用場景，在硬件極致能效和通用可編程之間找到平衡。

除DSA外，另一種重要的架構創(chuàng)新是被稱為“樂高式”架構的異構集成Chiplet架構技術，即小芯片或芯粒。Chiplet技術將多個可模塊化芯片（主要形態(tài)為裸片“Die”）通過Die to Die互連技術集成在一個封裝內，構成專用功能異構芯片。Chiplet能夠從成本、性能、最小化資源需求和靈活搭配4個角度對現(xiàn)有架構進行優(yōu)化，逐漸成為未來算力方案的基礎架構。

Chiplet技術不是簡單的“拆/分”“拼接”方案，要想最大化產品的性能、功耗、面積、成本競爭力，需要從先進封裝、Die to Die互連技術、系統(tǒng)級協(xié)同設計3個維度協(xié)同創(chuàng)新。先進封裝是實現(xiàn)2.5D封裝的工藝基礎。Die to Die互連技術是系統(tǒng)能夠高效組合芯粒的關鍵技術。互連協(xié)議標準應具備兼容性與開放性。目前國際上BoW（開放計算項目提出的并行互聯(lián)標準）、AIB（Intel提出的并行互聯(lián)標準）等并行方案可能趨向收斂于UCIe（Intel提出的通用Chiplet并行互聯(lián)標準），但仍存在超短距離SerDes串行互聯(lián)標準（XSR）和極短距離SerDes串行互聯(lián)標準（USR）等少量串行方案。與此同時，中國相關聯(lián)盟也在建立標準，積極推動Chiplet生態(tài)建設。系統(tǒng)級協(xié)同設計是指如何根據目標，構建最優(yōu)的芯粒分解-組合-集成方案，同時在整個前端-后端-封裝的開發(fā)流程中進行適配。此外，Chiplet技術還面臨著散熱、供電、多物理場仿真、可測性等方面的挑戰(zhàn)，需要芯片設計公司、OSAT、Foundry、EDA、IP、原始材料供應商等產業(yè)鏈各方共同培育完整的生態(tài)。

3 結束語

集成電路產業(yè)對人工智能、5G等產業(yè)升級起到關鍵基礎作用，是全球科技競爭的焦點之一。各個國家/地區(qū)在通過政策手段加強自身競爭優(yōu)勢、降低供應鏈風險的同時，向競爭對手施加出口管制，給產業(yè)的供需端帶來更大的不確定性。在外部宏觀環(huán)境的變化和自身產業(yè)升級需求的推動下，中國致力于建設自立自強、可持續(xù)發(fā)展的集成電路產業(yè)，為各行業(yè)的產業(yè)數字化和全球競爭提供支撐。從技術發(fā)展趨勢來看，中國既要在先進工藝、先進封裝、架構創(chuàng)新等方面進行多路徑創(chuàng)新，同時也要堅持多樣化發(fā)展，進行獨特的路徑創(chuàng)新，建立可持續(xù)發(fā)展生態(tài)。

致謝

感謝深圳市中興微電子技術有限公司王健、龐健和吳楓對本論文做出的貢獻！