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中國工程院院士吳漢明:后摩爾時代的芯片挑戰(zhàn)和機遇

日期:2021-06-09 來源:半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)作者:Jack Chen閱讀:1308
核心提示:6月9日,2021世界半導(dǎo)體大會暨南京國際半導(dǎo)體博覽會正式開幕。在上午的高峰論壇上,中國工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長吳
 6月9日,2021世界半導(dǎo)體大會暨南京國際半導(dǎo)體博覽會正式開幕。在上午的高峰論壇上,中國工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長吳漢明發(fā)表了題為《后摩爾時代的芯片挑戰(zhàn)和機遇》的演講。

 

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對芯片過熱的說法提出質(zhì)疑,吳漢明認為,過熱原因是忽悠的人多,認真做芯片的人太少,全球化受阻,需要重視本土化和產(chǎn)能,至少做到增長率要高于全球,更要努力建設(shè)產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)的科技文化,商業(yè)成功是檢驗技術(shù)創(chuàng)新的唯一標準。

 

 

吳漢明指出,摩爾定律是在1965年,英特爾創(chuàng)始人提出來,他說每年要把晶體管的密度加一倍,按照這個節(jié)奏他做了10年。而后來他“改口”了,他發(fā)現(xiàn)賺來的錢不夠支撐研發(fā)。

 

1975年他提出兩年把晶體管的密度加一倍,這樣技術(shù)研發(fā)的費用可以從商業(yè)盈利中平衡掉。按照每年提升一倍的節(jié)奏太快,不可持續(xù),而兩年把集成電路晶體管的密度加一倍持續(xù)了近50年。

 

吳漢明表示,上世紀70年代,1個晶體管價值達1美元,現(xiàn)在1美元能買幾百萬個晶體管,也就是說,當今每個晶體管價格僅有當初的百萬分之一。從2G時代的130nm發(fā)展到14nm、5nm,摩爾定律發(fā)展支撐了通信技術(shù)、AI發(fā)展。

 

到2015年,下面4條特征線接近瓶頸,難以繼續(xù)提升,唯有晶體管密度繼續(xù)沿著摩爾定律向上發(fā)展。但在2014年左右,大概28nm時,100萬晶體管的價格為2.7美分,到20nm,這一價格增至2.9美分,單個晶體管價錢在往上漲,這就違背了摩爾定律的初衷——價格不變。

 

中國科學(xué)家許居衍在30年前就預(yù)測在2014-2017年左右,摩爾定律恐怕就走到頭了,準確預(yù)測到我們在2014年也就是28納米的時候摩爾定律就走不動了。

 

在談到產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)時,吳漢明表示,產(chǎn)業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是這個產(chǎn)業(yè)鏈太長,而且太寬。既然產(chǎn)業(yè)鏈那么寬那么大,必然依賴于全球的流通,全球化的經(jīng)濟模式,才能把集成電路產(chǎn)業(yè)往前推。世界在半導(dǎo)體器件上的流通是非常大的。正是因為這種流通,使得集成電路才能沿著摩爾定律發(fā)展到當今欣欣向榮的狀態(tài)。

 

吳漢明表示,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。

 

 

如今,芯片制造工藝正面臨三大挑戰(zhàn),也蘊涵著三大創(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,僅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,終級挑戰(zhàn):提升良率。工藝無論多么先進,良率如果太低就不算成功,因此提高良率也是重要方向。

 

 

“高性能計算、移動計算、自主感知是后摩爾時代三個主要產(chǎn)業(yè)驅(qū)動方向,業(yè)界可以圍繞性能、功率、面積、成本進行創(chuàng)新。”吳漢明指出了后摩爾時代芯片發(fā)展趨勢和驅(qū)動方向。

 

 

吳漢明表示,許居衍院士曾提出后摩爾時代有四類技術(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,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)實現(xiàn)集成電路創(chuàng)新。

 

從產(chǎn)業(yè)角度來看,吳漢明表示,摩爾定律失效對于追趕者而言是個機會。事實上,在先進工藝創(chuàng)新難以為繼時,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。

 

 

最后,吳漢明在總結(jié)時強調(diào),全球化是不可替代的途徑,企業(yè)國際化、外企本土化;芯片制造三大核心挑戰(zhàn)包括圖形轉(zhuǎn)移、新材料&工藝、良率提升;后摩爾時代的產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨緩,創(chuàng)新空間和追趕機會大;全球化受阻,需要重視本土化和產(chǎn)能,至少做到增長率要高于全球;要樹立產(chǎn)業(yè)技術(shù)導(dǎo)向的科技文化,技術(shù)成果全靠市場鑒定;加速舉國體制下的公共技術(shù)研發(fā)平臺建設(shè)。

 
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