當(dāng)前，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正處于迭代升級(jí)的關(guān)鍵期，與此同時(shí)產(chǎn)業(yè)的基本規(guī)律 —— 摩爾定律正逼近物理、技術(shù)和成本的極限，2002 年以前全球芯片每年性能提升 52% 左右，到 2010 年為 23%，2010 年為 12%，最近幾年差不多每年提升 3%，隨著發(fā)展速度不斷下降，摩爾定律開始失效，后摩爾時(shí)代即將來臨。

在“2021 世界半導(dǎo)體大會(huì)暨南京國際半導(dǎo)體博覽會(huì)”上，眾多行業(yè)專家也就半導(dǎo)體行業(yè)如何打破摩爾定律失效的話題進(jìn)行了詳細(xì)的解讀，分享了各自的觀點(diǎn)和看法。專家一直認(rèn)為，目前摩爾定律正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也給產(chǎn)業(yè)帶來了很多機(jī)遇。

異質(zhì)集成電路是后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展的新方向

我國集成電路產(chǎn)業(yè)面臨“卡脖子”的痛點(diǎn)。一方面中國花費(fèi)巨資進(jìn)口。數(shù)據(jù)顯示，2020 年中國進(jìn)口集成電路價(jià)值 3500 億美元（同年進(jìn)口石油 1760 億美元），高端芯片基本依賴進(jìn)口。另一方面，集成電路有錢也買不到。2020 年 5 月，美國商務(wù)部宣布全面限制華為購買美國軟件和技術(shù)生產(chǎn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品。2021 年 4 月，美國商務(wù)部建議對(duì) 14nm 以下所有中國芯片公司出口管制。

眾所周知，集成電路是一個(gè)國家綜合科技實(shí)力乃至綜合國力的反映。毛發(fā)軍認(rèn)為，我國集成電路產(chǎn)業(yè)落后的原因復(fù)雜，外在因素是先進(jìn)技術(shù)受到西方封鎖，內(nèi)在原因是我國集成電路產(chǎn)業(yè)瞻前顧后，導(dǎo)致產(chǎn)學(xué)研脫節(jié)。

在中國科學(xué)院院士，上海交通大學(xué)黨委常委、副校長毛軍發(fā)看來，目前，集成電路的發(fā)展方向主要有兩個(gè)，一是繼續(xù)延續(xù)摩爾定律；二是繞道摩爾定律。這兩條道路都面臨挑戰(zhàn)，前者面臨物理原理極限，技術(shù)手段極限以及經(jīng)濟(jì)成本極限。后者要朝著異質(zhì)集成電路方向發(fā)展。

毛發(fā)軍指出：“集成電路有兩類材料，元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體材料，這兩類各有優(yōu)缺點(diǎn)。如何將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來？只有異質(zhì)集成電路才能做到。”

所謂半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路指的是將不同的工藝節(jié)點(diǎn)的化合物半導(dǎo)體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成度期間或芯片（都含光電子器件或芯片），與有源元件或天線、通過異質(zhì)鍵合或外延生長等方式集成而實(shí)現(xiàn)的集成電路或系統(tǒng)。

毛軍介紹稱，異質(zhì)集成電路特色突出：一是可以融合不同半導(dǎo)體材料、工藝、結(jié)構(gòu)、元器件或芯片的優(yōu)點(diǎn)；二是采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念；三是應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，如 IP 和小芯片（Chiplet）、集成無源器件等新技術(shù)；四是具有 2.5D 或 3D 高密度結(jié)構(gòu)。

“正因?yàn)槿绱耍鋬?yōu)勢(shì)也非常突出：一是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的復(fù)雜功能，具有優(yōu)異的綜合性能，可突破單一半導(dǎo)體工藝的性能極限；二是靈活性大、可靠性高、研發(fā)周期短、成本低；三是小型化、輕質(zhì)化；四是對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備要求相對(duì)較低，不受 EUV 光刻機(jī)限制。”

毛發(fā)軍總結(jié)表示，總而言之，半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路突破了單一工藝集成電路的功能、性能極限，實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜電子系統(tǒng)，非常具有研究價(jià)值。它是電子系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展的新途徑，也是后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展的新方向，更是集成電路變道超車的新機(jī)遇。

后摩爾時(shí)代存在三個(gè)主要驅(qū)動(dòng)方向

中國工程院院士吳漢明在大會(huì)上表示，1970 年代，晶體管價(jià)格 1 美元/個(gè)，這個(gè)價(jià)格如今能購買上萬個(gè)晶體管，如今一部手機(jī)中的芯片，加起來有百億級(jí)規(guī)模的晶體管，若回到 1970 年代，同樣一部手機(jī)要花費(fèi)百億美元。

從 1970 年代至今，芯片的性能在不斷提升，但數(shù)據(jù)顯示，自 2015 年前后，芯片的各項(xiàng)性能的增長開始趨于飽和。吳漢明表示，從晶體管的不斷增加來看，產(chǎn)業(yè)仍然在遵循著摩爾定律，但是從單位成本來看，在 2014 年左右，芯片工藝演進(jìn)至 28nm 時(shí)，100 萬晶體管的價(jià)格大約是 2.7 美分，當(dāng)演進(jìn)到 20nm 時(shí)，價(jià)格反而漲到 2.9 美分，晶體管的漲價(jià)現(xiàn)象，已經(jīng)違背了當(dāng)初的摩爾定律。

吳漢明指出后摩爾時(shí)代，高性能計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、自主感知是三個(gè)主要驅(qū)動(dòng)方向，業(yè)界需要圍繞性能、功率、面積、成本進(jìn)行創(chuàng)新。

在他看來，如今，芯片制造工藝正面臨三大挑戰(zhàn)，也蘊(yùn)涵著三大創(chuàng)新方向。

第一，基礎(chǔ)挑戰(zhàn)：精密圖形。以光刻機(jī)為主要裝備的工藝目前用 193 納米波長形成 20 納米、30 納米的圖形，在物理原理上面臨很大挑戰(zhàn)。

第二，核心挑戰(zhàn)：新材料。芯片發(fā)展至今，緊靠尺寸縮小帶來的性能提升非常有限，新材料成為重要突破方向，例如硅、銅等將 32 納米性能提升 70%。因此，新材料、新工藝是集成電路芯片制造的主旋律。

第三，終級(jí)挑戰(zhàn)：提升良率。工藝無論多么先進(jìn)，良率如果太低就不算成功，因此提高良率也是重要方向。

此外，吳漢明認(rèn)為，后摩爾時(shí)代有四類技術(shù)方向：“硅-馮”范式，通過改變結(jié)構(gòu)形成新型器件，使得摩爾定律能夠繼續(xù)，瓶頸在于功耗和速度；類硅模式，通過 TFET 等延續(xù)摩爾定律；類腦模式，通過 3D 封裝模擬神經(jīng)元特性，具有存算一體、并行、低功耗等特點(diǎn)，是人工智能的主要途徑；新興范式，通過改變狀態(tài)、采用新器件和新興架構(gòu)實(shí)現(xiàn)集成電路創(chuàng)新。

吳漢明表示，摩爾定律失效對(duì)于追趕者而言是個(gè)機(jī)會(huì)。“事實(shí)上，在先進(jìn)工藝創(chuàng)新難以為繼時(shí)，廠商可以通過系統(tǒng)性能提升，在已有成熟工藝的基礎(chǔ)上做出更多創(chuàng)新，提升芯片性能。”

值得一提的是，中國是全球集成電路企業(yè)發(fā)展的沃土，內(nèi)外資集成電路企業(yè)共享中國市場的紅利。中國政府持續(xù)營造一個(gè)開放合作、公平競爭的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，促進(jìn)全球范圍內(nèi)的分工協(xié)作共享，在公平競爭中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)繁榮。