由于一些眾所周知的原因，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體的前行之路正迎來(lái)艱難的爬坡階段。隨著先進(jìn)工藝的使用愈發(fā)困難，但是市場(chǎng)各應(yīng)用場(chǎng)景卻對(duì)芯片的算力和性能等要求絲毫不減的背景下。那么，撇開(kāi)先進(jìn)工藝，國(guó)內(nèi)還能從哪些技術(shù)方向進(jìn)行突圍呢？

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存算一體

進(jìn)入人工智能時(shí)代，算力和運(yùn)算數(shù)據(jù)量每年都在指數(shù)級(jí)增加，然而摩爾定律已經(jīng)接近于到極限，每代芯片只有10-20%的性能提升。再加上馮諾依曼架構(gòu)的算力已經(jīng)被內(nèi)存墻所限制，只有解決內(nèi)存墻問(wèn)題才能進(jìn)一步提高算力。在各種解決方案中，存內(nèi)計(jì)算是最直接也是最高效的。

存算一體技術(shù)（PIM ：Processing in-memory）被視為人工智能創(chuàng)新的核心。它將存儲(chǔ)和計(jì)算有機(jī)結(jié)合，直接利用存儲(chǔ)單元進(jìn)行計(jì)算，極大地消除了數(shù)據(jù)搬移帶來(lái)的開(kāi)銷，解決了傳統(tǒng)芯片在運(yùn)行人工智能算法上的“存儲(chǔ)墻”與“功耗墻”問(wèn)題，可以數(shù)十倍甚至百倍地提高人工智能運(yùn)算效率，降低成本。

除此之外，由于存算一體具有大算力、低功耗的優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)先進(jìn)工藝制程屬于弱依賴，是一種能夠突破先進(jìn)工藝對(duì)性能限制的路徑，可以用成熟制程做出先進(jìn)制程的效果來(lái)。算力和工藝有一定相關(guān)性，但不強(qiáng)，更多的是看其產(chǎn)品的定位，在性能、功耗和成本三者之間追求相對(duì)的平衡。目前市面上基于存算一體的存儲(chǔ)介質(zhì)主要有三種：Flash、SRAM、ReRAM等。其中Flash介質(zhì)所采用的工藝節(jié)點(diǎn)在40nm左右；SRAM和ReRAM在28nm工藝就可以實(shí)現(xiàn)很好的性能優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)在存算一體技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始從低功耗場(chǎng)景逐漸向有著更大算力需求的智能駕駛市場(chǎng)奮進(jìn)。在智能時(shí)代里，從可穿戴到自動(dòng)駕駛，功耗約束下場(chǎng)景里的計(jì)算效率都是永恒的主題，存內(nèi)計(jì)算是解放算力提升能效比最強(qiáng)有力的武器之一。

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Chiplet技術(shù)

Chiplet被行業(yè)普遍認(rèn)為是未來(lái)5年算力的主要提升技術(shù)。Chiplet可以使我們不再需要只依賴單個(gè)芯片性能的提升，可以嘗試?yán)眯碌拈_(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)UCIe來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的異構(gòu)Chiplet，實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)勢(shì)和性能上的提高。

作為處理器的未來(lái)，Chiplet有幾個(gè)很明顯的好處：

成本低：一方面，現(xiàn)在的芯片面積變得越來(lái)越大，不僅制造難度增加，也增加了良率帶來(lái)的損失，而通過(guò)將大芯片分成更小的Chiplet，提高了產(chǎn)量（或良率），則降低了制造成本；另一方面是，Chiplet允許使用不同的制造節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建異構(gòu)的芯片，SoC中不同功能的模塊可使用不同的wafer技術(shù)，高性能的可能需要5nm，其他性能可能只需要40或者28就可以做到性能最大化。此外，企業(yè)可以在多個(gè)產(chǎn)品中重復(fù)使用小芯片來(lái)減少設(shè)計(jì)時(shí)間和流片費(fèi)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，Chiplet可以將7nm芯片設(shè)計(jì)的成本降低25%，到5nm及以下，成本節(jié)省更大。

突破了SoC設(shè)計(jì)極限：Chiplet突破了光罩面積的規(guī)模極限，通過(guò)異質(zhì)集成的方式突破了功能極限，使其不再受多工藝的約束，通過(guò)算力可擴(kuò)展的方式提升了芯片的性能，并通過(guò)敏捷開(kāi)發(fā)的方式大大縮短了工期極限。

隨著全球消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)、HPC運(yùn)算等對(duì)Chiplet的需求，Chiplet市場(chǎng)前景一片大好。根據(jù)研究機(jī)構(gòu) Omdia 報(bào)告，2024年采用Chiplet的處理器芯片的全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá) 58 億美元，到2035年將達(dá)到570億美元。

由于中國(guó)大陸的半導(dǎo)體制造業(yè)在先進(jìn)芯片方面有所落后，所以，利用新型封裝技術(shù)集成和互連國(guó)內(nèi)積累多年的處理器、存儲(chǔ)器等Chiplet，達(dá)到對(duì)標(biāo)或超過(guò)國(guó)外高端芯片算力目的，是突破半導(dǎo)體工藝被卡脖子的重要途徑，對(duì)我國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)具有重要意義。

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硅光子技術(shù)

所謂硅光子集成技術(shù)，是以硅和硅基襯底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作為光學(xué)介質(zhì)，通過(guò)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容的集成電路工藝制造相應(yīng)的光子器件和光電器件（包括硅基發(fā)光器件、調(diào)制器、探測(cè)器、光波導(dǎo)器件等），并利用這些器件對(duì)光子進(jìn)行發(fā)射、傳輸、檢測(cè)和處理，以實(shí)現(xiàn)其在光通信、光互連、光計(jì)算等領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。

硅光技術(shù)的核心理念是“以光代電”，即采用激光束代替電子信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，將光學(xué)器件與電子元件整合至一個(gè)獨(dú)立的微芯片中。在硅片上用光取代傳統(tǒng)銅線作為信息傳導(dǎo)介質(zhì)，大大提升芯片之間的連接速度。后摩爾時(shí)代，光子芯片因其功耗低、低時(shí)延、具有高運(yùn)算速度，且不易收到溫度、電磁場(chǎng)和噪聲變化的影響等優(yōu)良特性，而被業(yè)界寄予厚望。

根據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，2021年全球光芯片（含 CCD、CIS、LED、光子探測(cè)器、光耦合器、 激光芯片等）市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 414 億美元，預(yù)計(jì)2025年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)561億美元。 光子芯片采用全新的芯片設(shè)計(jì)架構(gòu)思路，將能夠?qū)ΜF(xiàn)有的電子芯片性能進(jìn)行大幅度提升，解決電子芯片解決不了的功耗、訪存能力和計(jì)算機(jī)整體性能等難題。

而且光子芯片對(duì)結(jié)構(gòu)的要求不像電芯片那樣苛刻，光的波長(zhǎng)在百納米到1微米量級(jí)，因此，光芯片不必追求工藝尺寸的極限縮小，就能有更多的性能用以提升空間，一般是百納米級(jí)。但光芯片和電芯片各有優(yōu)勢(shì)，二者雖在某些場(chǎng)景有競(jìng)爭(zhēng)，光子集成電路高速率傳輸和電子集成電路多功能、智能化的優(yōu)點(diǎn)，雖然在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，兩者有競(jìng)爭(zhēng)，但更多的時(shí)候，二者是共贏關(guān)系。未來(lái)光子芯片和電子芯片的結(jié)合，或?qū)⑹钱a(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的一個(gè)很重要的方向。

新材料

隨著摩爾定律逐漸失效，尋求硅以外的替換材料成為行業(yè)的一大方向，而碳納米管則被看作一個(gè)有希望的替代品。碳納米管具有加工溫度低、工作速度快、功耗低、更易實(shí)現(xiàn)三維異構(gòu)集成等優(yōu)勢(shì)，最有可能成為后摩爾時(shí)代集成電路的顛覆性技術(shù)之一。國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖很早就認(rèn)為，碳納米管是未來(lái)最理想的電子學(xué)材料。

在今年第25屆京臺(tái)科技論壇上，中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)電子學(xué)院院長(zhǎng)彭練矛表示，碳納米管做的芯片綜合性能可以比現(xiàn)在的硅基芯片提高成百上千倍。其另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是，可以用二氧化碳制備碳納米管，這樣就可以消耗更多的二氧化碳。

理論仿真結(jié)果表明，采用三維集成的碳基集成電路較傳統(tǒng)集成電路具有1000倍的性能功耗綜合優(yōu)勢(shì)。根據(jù)已有研究成果估算，90納米碳基集成電路技術(shù)可達(dá)到硅基主流28納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)的綜合性能。因此，90納米集成電路技術(shù)是碳基集成電路技術(shù)走向應(yīng)用的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

傳統(tǒng)硅基芯片材料的潛力基本已被挖掘殆盡，無(wú)法滿足行業(yè)未來(lái)進(jìn)一步發(fā)展的需要，啟用新材料是從根本上解決芯片性能問(wèn)題的出路?！边@是20年堅(jiān)守碳基芯片研發(fā)的彭練矛所述。

目前其團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)的優(yōu)化陣列碳納米管溝道材料，改善MOS柵疊層結(jié)構(gòu)（碳納米管/柵介質(zhì)/柵金屬），首次實(shí)現(xiàn)了基于陣列碳管的高性能增強(qiáng)型晶體管和集成電路，充分展現(xiàn)出碳管電子學(xué)的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)論文已發(fā)表在國(guó)際知名期刊《先進(jìn)功能材料》上，論文第一作者北京大學(xué)電子學(xué)系、前沿交叉學(xué)科研究院博士生林艷霞表示，在工藝水平相對(duì)不先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)出來(lái)的增強(qiáng)型晶體管和高速電路，就能達(dá)到晶體管遷移率接近單根碳管、并且比工業(yè)化水平成熟的硅基要高9倍多的水平。而且晶體管的實(shí)際性能也是第一次超過(guò)與硅基相同尺寸的晶體管性能，這正說(shuō)明了碳晶體管、碳基芯片的無(wú)限潛力，它有足夠的力量推動(dòng)未來(lái)集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

SiP先進(jìn)封裝技術(shù)

封裝也是一大抓手，More than Moore是中國(guó)集成電路的新機(jī)遇，掌握先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)技術(shù)超越的良機(jī)。自80年代中期，封裝已經(jīng)成為我國(guó)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而現(xiàn)在SiP這樣的先進(jìn)封裝已經(jīng)成為中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)重點(diǎn)。SiP被業(yè)界認(rèn)為是延續(xù)摩爾定律的必然選擇路徑。上文所述的Chiplet也依賴于SiP和2.5D/3D這樣的先進(jìn)封裝技術(shù)。

SiP（System in Package）將具有不同功能的主動(dòng)元件和被動(dòng)元件，以及諸如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、光學(xué)（Optic）元件、處理器、存儲(chǔ)器等功能芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，成為可提供多種功能的單顆標(biāo)準(zhǔn)封裝元件，形成一個(gè)功能齊全的子系統(tǒng)。

SiP可以利用異質(zhì)集成解決不同芯片工藝的兼容問(wèn)題。此外，SiP還在專利壁壘，開(kāi)發(fā)成本、研發(fā)周期方面具有優(yōu)勢(shì)。在后端環(huán)節(jié)，SiP相對(duì)于傳統(tǒng)的PCBA也具有很多優(yōu)點(diǎn)，如減小尺寸、增強(qiáng)性能、延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期，降低后端應(yīng)用企業(yè)的設(shè)計(jì)難度以及供應(yīng)鏈管理成本，提高產(chǎn)品可靠性等。SiP從終端電子產(chǎn)品角度出發(fā)，不再一味關(guān)注芯片本身的性能和功耗，而是轉(zhuǎn)向更加務(wù)實(shí)的滿足市場(chǎng)需求。

SiP方案已經(jīng)開(kāi)始從耳機(jī)這樣的小型可穿戴市場(chǎng)逐漸向家電和汽車等市場(chǎng)蔓延，例如SiP可用于汽車微處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等大規(guī)模集成電路及合成發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元。另外，汽車防抱死系統(tǒng)、燃油噴射控制系統(tǒng)、安全氣囊電子系統(tǒng)、方向盤控制系統(tǒng)、輪胎低氣壓報(bào)警系統(tǒng)等采用SiP的形式也在不斷增多。

根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，2025年先進(jìn)封裝的占比將提升至整體封測(cè)行業(yè)的49.4%，其中SiP封裝被市場(chǎng)看好，在2020年到2026年年間，基于覆晶(FC)和打線接合(WB)的SiP市場(chǎng)將以5%的CAGR成長(zhǎng)至170 億美元的規(guī)模。同期，嵌入式芯片(Embedded Die，ED) SiP市場(chǎng)則將以25%的CAGR 增加到1.89億美元；扇出型(FO) SiP市場(chǎng)價(jià)值預(yù)計(jì)以6%的CAGR20-26成長(zhǎng)至16億美元。

但SiP的發(fā)展需要不同專業(yè)領(lǐng)域來(lái)互相配合，包括IC基板、封裝技術(shù)、模組設(shè)計(jì)與系統(tǒng)整合能力等。當(dāng)下，從國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來(lái)看，各領(lǐng)域分布廣泛且逐漸完整，已經(jīng)具有上中下游合作的基礎(chǔ)條件。這對(duì)于從業(yè)者來(lái)說(shuō)，是很好的發(fā)展機(jī)會(huì)。

結(jié)語(yǔ)

綜上，可以看出，后摩爾時(shí)代，有許多新技術(shù)正在被產(chǎn)業(yè)界開(kāi)辟出來(lái)。但是需要正視的是，任何一個(gè)新技術(shù)其背后所面臨的的挑戰(zhàn)都將是巨大的，不僅是技術(shù)本身上的難題，還有產(chǎn)業(yè)鏈的配套方面的缺失，所以每一項(xiàng)技術(shù)都需要形成一個(gè)好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，搭建平臺(tái)、優(yōu)化生態(tài)，產(chǎn)業(yè)鏈上下游加大合作。