1   摩尔定律已到尽头

摩尔定律是在1965 年由英特尔创始人之◆一戈登·摩尔提出来的，他指出，当价格不变时，集︽成电路上可容纳的元器件数量约每年增加1 倍，性能也将提升1 倍。

但是这个节奏做了10 年以后发现不行，因为赚来的钱不够支撑研发，因此1975 年修正为：每2 年把晶体管的密度增加1 倍。以这样的节奏，技术研发的资金可以从「商业盈利中挣出来。这种每2 年将集成电路晶体管密度加1 倍☉的提法持续了将近50 年。

吴¤汉明院士读大学时，计算机叫8008（注：基于英特尔8008 微处理器），那时约有2 400 个晶体管，现在英特尔CPU 大概有10 亿▲以上的晶体管。所以直到现在，英特尔是在用每2 年翻一番的节▆奏推出CPU。

持续的摩尔定律带来了什么样的结果？ 20 世纪70年代，1 个晶体管大概1 美元（1 美元约为6.5 元人民币），现在1 美元可以买几百万个晶体管，晶体管的价格降到了百万分之▃一。现在的手机至少有2 亿以上的晶体管，一般是几╲百亿个晶体管。如果回到20 世纪70 年代，手机成本就是几百亿美元！因此，摩尔定律的技术延伸给我们的社会和经济带来的ㄨ影响是当初不可想象的。

摩尔定律的发展支撑▲了通信技术，从1G、2G 直到现在的5G，整个通信技术的发展完全是基于集成电路技术的々发展， 从130 nm 到当今的14 nm、7 nm、5 nm ……

同样，人工智能（AI）也是由于摩尔定律的支撑才能发展到今天。AI 计算机可》模拟神经元特征，进行存№算一体等计算，具有并行性、低功耗的特点，因此具有广阔的ξ　产业前景。

中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长 吴汉明

通过图1 可见，从20 世纪70 年代到2015 年之前，性能按照摩尔定律一代一代提◢升。但是到2015 年，其中4 条线已经无法继续提升卐了，包括从单核发展到上百个核。性能、功耗等几★乎都到达了瓶颈，唯一的晶『体管密度还是随着时间的延伸继续翻一番——还在遵循摩尔定律的节奏。但是摩尔◇定律有一个基本假设，技术往前走的同时，价格不能变，而实际上在ζ︾2014 年/28 nm 时，每100 万个晶体管约2.7 美分，当走到20 nm 制程时，100 万个晶体管就需要2.9 美分，这表明单个晶体管的价格在上涨，实际上违背了初︼衷——晶体管的价格不能往上升。

图1 后摩尔时代的特征

中国科学家许卐居衍院士在30 年前（注：1992 年的中国电子学会第五次学术年会文集）就预测在2014—2017 年，摩尔定律可能走到尽头，准确预测々到在2014年/28 nm 时摩尔定律就走不动了。但是许院士认为硅基的生命还是很长的，今后还有很长的时间在硅上延伸。

2   集成电路产业离不开全球化

集成电路产业面临的主要挑战是产业链太长、太宽。集成电路』企业、公司、研究◥机构很多，主要是材料、设计、制造、装备类。

既然这个产业链很宽很长，必然依赖于全◢球的流通。正是因为这种流通，使集成电路才能沿着摩尔定律发展到当↙今欣欣向荣的状态。

既然⊙是全球化产业，产业链的总体分布主要分成四大类：EDA/IP、设计（逻辑、分立、存储）、装备和︽材料、制造和封测，构成了集成╱电路产业链（如图2）。

全球芯片制造的主要装备有：光刻、刻蚀、CVD、CMP、检测等，这些装备各个国家所占的比例如图3所示。

3   制造工艺的∞三大挑战

1）基础挑战：精密图形。以光刻机为主要装备的工艺现在主要是用波长193 nm 的光源曝光出二三十纳米的ㄨ图形。根据光学基本知识，当波长远大于物理尺寸时，物理尺寸的投影会非常模糊，但是→光刻工程师就做到了，现在7 nm 也可以用193 nm 波长的曝光工艺。

2）核心挑战：新材料。21 世纪以来有64 种新材料（铜、锗、镍、高K 等）陆续进入集成】电路芯片制造，支撑摩尔定律的推进。图4 的5 组数据就是从（130~30）nm五个技术▆代，蓝色部分表示只是尺寸∏的缩小，性能上没有提升，这说明如果仅靠技术向前走，没有※新材料也是没有用的——虽然可以做得很小，但是根本性能上╲不来。

性能提升主↓要靠新材料，像硅、铜等使32 nm 的性能得到70% 的提升。实际上，这一阶段的技术提升完全是靠新材料支撑。所以在集成电↙路芯片制造中，主旋律就是新材料、新工艺。每种材料需要做数千次工艺实验。新材料支撑〓成套工艺的研发。

3）终级挑战：提升良率。因为〗工艺流程中积累大量统计误差，假设每步良率99.9%，最后导致№千步良率37%。所以这是所有芯∏片制造企业最头疼、最艰难的挑战。不管先进工艺做得多好，良率上不」来，这个工艺就不能算成功，只有达到一定良率才能说是成熟的成套工艺。

图3 全球⌒　芯片制造装备

4   后摩尔时代的芯片技术趋势

在后摩尔时代发展中，产业主要有3 个驱动力：高性能◣计算、移动计算、自主感知，例如物联网就需要这3 方面的驱动。

这引导了8 项技术研■发：逻辑技术、基本规则缩放、性能- 功率- 尺寸（PPA）缩放、3D 集成、存储技术、DRAM 技术、闪存技术、新兴非易失性内存技术。

目︾标主要是4 个：PPAC（ 性能、功率、面积、成本），它↓们必须在2~3 年内分别提升15%~30%。①性能：电压不变，工作频率增加15% 以上；②功率：性能不变，功率减少30% 以上；③面积：减少30% 的ω芯片面积；④成本：晶圆成本增加＜ 30%，使得缩放裸片成卐本减少15%。

后摩尔时代，性能的发展速度慢下来了。据AMAT- 兴业证券经济与金融研究院研报，1986—2002 年，每年的性能约提升①52%；2002—2010 年，每年提升23%；2010—2014 年，每年提升12%；最近可以看到性能提升约3.5%。这意味着给了我们追赶者机会。摩尔定律走到尽头叫Ψ 后摩尔时代，对于追赶♂者是个机会。

通过各种各样的结构改变做成新型器件，使技术能够沿着摩尔定律◤继续往前走，但是瓶颈是功耗和速度☉呈非常矛盾的比例关系——频率的三次方是功耗，功耗会以这样的速◆度上升。新兴技术包括TFET（隧穿）等是延续摩尔定律的主要方向（如表1）。“类脑模式”也很热门，是有很好产▂业前景的技术方向。相对基础一点、遥远一点的包括通过改变状态实现逻辑运行的新型范式，自旋电子的方向以及量↑子计算的新模式可能是未来新型集成电路的发展方向，但是这个方向是非常前沿的，最近5~10 年基本〖看不到产业化】。

统计2020 年的集成电路制程，可以看到10 nm 节点以下的先进产能仅占17%，而83% 的市场是相←对成熟的技术节点（图5），所以这83% 的创新空⌒间应该引起高度重视——尽管前沿技术要高度重视，但是成熟工艺上的发展空间也很大。

图4 新材料『的带动作用

既然先进工艺很难走下去，用户及芯片设计公司最关心的应【该是系统性能◥。很高兴看到国内有一家新创立的公司——芯盟科技，通过异构集成，用40 nm 的工艺实现了可以和∑　16 nm 相媲美的性能。这种通过比较成熟的工艺做出先进的系统，在后摩尔时代是非○常好的方向。

图5 10 nm节点以下先♀进产能占17%

5   树立以产业技术为导向的科技文化

吴汉明ぷ院士非常认可树立产业技术导向的科技文化。

1）产业技术不是科研机构转化后的应用开发，而是引导科研的原始动力。如果定课题的时候定的研究方向▼就是产业技术，其实不应该存在转化问题。转化是︻一个加生饭，因为本来题目方向定不好，成果做完了才要转化到企业，这个动作是很奇怪的。例如英特尔或台积电〖根本没有研发线，就是在线上做研发，成果就地转化，没有∮转来转去的事。转来转去说明当时做的事情没想明白。当然做基础研究可以这样做，做集成电路还是需⌒　要产业引领的科技文化。

2）通常实验室做♀的是点的突破，一俊遮百丑，而产业技术不能有明显短板。产业需要的是面的◣突破、全方位的突破，性能做■好了只是一个步骤，产业化包括良●率、成本等综合因素。

在集成电路方面，吴汉明院士非常认可、提倡产业引领的科技文化，同时商业成功是检验技术创新的唯一标准——如果做一个技术不能商①业化，价值不会那么▲高。

3）技术的3 阶段、企々业与科研院所/ 高校的关㊣系技术研发分为3 个阶段：首先是前沿技【术，通常由高校、研究所做的前沿技术；然后发展』到产前技术；最后实现产业技术（如图6）。

3 个节点有机联合起来，前沿技术和产前技术基本上♂是供给侧的创新驱动的研究模式，高校和科研院所是主力部队；从产前技术到产业技术基本上是企业引领的市场需求的◤工作，所以在供给侧和需求侧重合的地方就是产前技术。

在这▓个指导下，浙江大学正在建设12 英寸（1 英寸约为2.54 cm）成套工艺研发平台，目的有3 个：①希望把设计和制▂造创新一体化，同时也是针对后摩尔时代碎片化的市场以小批量、多样化在实验平台上进行很多创新、验▽证的机会；②在学生培养方面，需要做新工〗科的学院建设，让学生↘有更多的产教融合的实验场景；

③希望突破一些产业链发展瓶颈，包括新材料、新装备、新零部件、新运营〗模式等，在这个实验线上可以进行尝试。

图6 技术三阶段、企业与科研院所/高校的关系

4   小结

1）全球化是不可替代的途径，需要＠ 企业国际化、外□　企本土化。集成电路的发展一定是全球化的，某些国家说单边主义发展其实是没有前途的。

2）芯片制造三◥大核心挑战：图形转移、新材料和工艺、良率提升。

3）后摩尔时代的产业技术发展趋缓，创新空间和追赶机◢会大；

4）树立产业技术导向的科技文化，技术成功全靠市场鉴定。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年7月期）