刘明院士之问：芯片靠尺寸微缩还能走多远?

2021-09-16 14:00:17 来源: 半导体行业观察

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9月15日，中国科学院院士、复旦大学芯片与系统前沿技术研究院院长、教授刘明在第二届中国(上海)自贸区临港新片区半导体产业发展高峰论坛上表示，现阶段，单纯依靠尺寸微缩为处理芯片带来的性能提升只有3%左右。在很多情况下，处理芯片性能的提升都是依靠架构并行处理来实现的。

尺寸微缩的红利空间已经很小了

在整个集成电路发展最美好的时期里，集成电路的尺寸不断微缩，密度不断增加，但是功率密度不变。刘明认为，回顾集成电路产业的发展，在尺寸微缩的整个历程中，无论是材料、器件结构，还是光刻技术、封装和EDA工具，甚至连商业模式都在不断发生着创新。

她以材料领域为例说道，80年代的集成电路生产线只有12种材料，90年代有五种新材料进入集成电路生产，20世纪以后有大量新材料进入产线。今天的硅基集成电路更像一个平台，正因为自身的开放性和包容性，硅技术才能一直发展下去，让其他新技术和新材料弥补自己的不足。

器件结构也在一代一代地更新、发展。面对更高密度和更小尺寸的器件，光刻技术正在不断创新，EUV技术正在进一步演化。刘明指出，在7纳米工艺节点，EUV只用了5～6成，3纳米工艺节点有20层光刻要用到EUV技术，如果没有EUV技术是很难实现量产的。

能否将自由电子激光作为EUV光源?刘明在演讲中表示，这也是一个国际上比较热的话题。软科学等一些其他的技术同样会在光刻技术中起到越来越重要的作用。

在整个集成电路产业的发展过程中，尺寸微缩成为了一个最重要的驱动力，它的确曾经为集成电路性能的提升带来了非常大的红利。在集成电路发展的“美好时期”里，单纯依靠尺寸微缩，处理芯片的算力每年就可以提高到52%，推动了计算机的高速发展。

但是现在，刘明指出，这一红利空间已经在逐步缩小。现阶段，单纯依靠尺寸微缩为处理芯片带来的性能提升只有3%左右。在很多情况下，处理芯片性能的提升都是依靠架构并行处理来实现的。

先进封装是一条可选择的道路

尺寸微缩能够走多远?集成电路产业应该选择哪条道路?刘明通过一系列数据在演讲中指出，目前如果微缩道路走不下去的话，先进封装其实是一条可以选择的道路。

“如果我们用做硅制造技术取代传统的封装，可以达到性能互联指数的提升。”刘明表示，目前这样的先进封装技术多种多样，命名方式也存在不同。从晶元堆叠、晶元级封装，再到晶体管级制造端异构集成，它们的精度可以向毫米和纳米演变，互联密度也在急剧增长。

“目前，基于先进封装集成芯片已经成为高性能芯片的首选。”刘明说道，在同等工艺节点下，如果采用先进封装技术来进行集成芯片的集成，能够实现15%左右的性能提升。

先进封装技术是目前所有高性能处理器的首选技术。她表示，无论是通过自研还是进口，短期内我们都没有办法获得可以用来做产品的EUV光刻机。在没有先进光刻机来发展先进制程的情况下，基于先进封装集成芯片应该是摆脱限制、发展自主高端芯片的必由之路。

从早期的微处理器，到后来的手机芯片，再到现在的智能手机，都有一个可以支撑起一代技术，并且拥有巨大市场需求量的产品。但是现在，智能物联网时代的序幕已经拉开。在这个时代里，人们很难找到一个可以支撑一代技术发展的单一产品。采用先进硅工艺设计用户会变少，因此根据产品需求选出适配的芯片，再用集成芯片技术整合成产品，就能够满足未来多样性市场的需求。

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