長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)集成電路一直存在被“卡脖子”的痛點(diǎn)：一是要花巨資進(jìn)口，比如2022年中國(guó)進(jìn)口集成電路5384億塊，其價(jià)值高達(dá)4156億美元。二是高端芯片對(duì)外依賴(lài)較重，形勢(shì)嚴(yán)峻之時(shí)，高端芯片有錢(qián)也買(mǎi)不到。比如2022年9月，美國(guó)禁止英偉達(dá)對(duì)中國(guó)出口其最先進(jìn)的高算力人工智能(AI)芯片;2023年1月，美日荷三國(guó)達(dá)成協(xié)議限制向中國(guó)出口先進(jìn)半導(dǎo)體制造設(shè)備等。RCYesmc

　　如何破解中國(guó)集成電路落后的僵局?

　　“集成電路涉及數(shù)理化專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以及機(jī)械、電子、材料、儀器儀表等多個(gè)環(huán)節(jié)，缺一不可。” 中國(guó)科學(xué)院院士、深圳大學(xué)校長(zhǎng)毛軍發(fā)近日在2023中國(guó)(深圳)集成電路峰會(huì)(簡(jiǎn)稱(chēng)：ICS2023峰會(huì))上表示，“EDA、裝備、材料的落后是導(dǎo)致中國(guó)集成電路落后的重要原因。”RCYesmc

　　他以EDA為例，指出中國(guó)高校擁有很多算法教授，各自都有小程序、小模塊，但各自為政，也缺乏大的集成商，而像Cadence、Synopsys這些巨頭，正是其EDA中集成了數(shù)百個(gè)小軟件模塊，才擁有今天的江湖地位和市場(chǎng)規(guī)模。同時(shí)，中國(guó)工藝的落后也影響到EDA的發(fā)展。RCYesmc

　　如何打破這種僵局?業(yè)界的思路都很清晰，就是延續(xù)摩爾定律——把晶體管做小，但在實(shí)施過(guò)程中仍面臨物理原理、技術(shù)手段和經(jīng)濟(jì)成本三重極限挑戰(zhàn)。因此，繞道摩爾定律成為另一種嘗試思路，而毛軍發(fā)院士所提出的“集成系統(tǒng)”概念，就是繞道摩爾定律的技術(shù)手段之一。RCYesmc

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　　毛軍發(fā)指出，“集成系統(tǒng)”概念的提出主要出于四方面的考慮：RCYesmc

　　第一、集成電路(芯片)只是手段，微電子系統(tǒng)才是目的。單一芯片再先進(jìn)，哪怕由1 nm工藝制造，即便集成1000億個(gè)晶體管都沒(méi)用，其只有在系統(tǒng)中才能發(fā)揮作用。RCYesmc

　　第二、摩爾定律正面臨挑戰(zhàn)，再往前走難度會(huì)越來(lái)越大。RCYesmc

　　第三、集成電路系統(tǒng)的前道設(shè)計(jì)加工，與后道的封裝集成界限越來(lái)越模糊。RCYesmc

　　第四、傳統(tǒng)的1,000多種封裝技術(shù)的做法，采取的是分立實(shí)施的步驟，即先做芯片，再封裝，最后再搭建系統(tǒng)。這樣效率很低。RCYesmc

　　鑒于此，毛軍發(fā)團(tuán)隊(duì)參照集成電路 (Integrated Circuits，IC) 的思想提出集成系統(tǒng) (Integrated Systems，IS) 的概念。此概念被提出的初衷，就是希望能夠像過(guò)去集成大規(guī)模電路一樣實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的集成。按照毛軍發(fā)的說(shuō)法，與其向著集成手段去發(fā)力，不如直接向著集成系統(tǒng)的目的去發(fā)力。RCYesmc

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　　前道設(shè)計(jì)加工與后道封裝逐步收斂融合

　　“隨著現(xiàn)在集成電路前后道工藝界限越來(lái)越模糊，如果任由這種趨勢(shì)發(fā)展下去，將會(huì)對(duì)中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)帶來(lái)不利影響。” 毛軍發(fā)如此強(qiáng)調(diào)道。RCYesmc

　　據(jù)他介紹，臺(tái)積電的SoIC(System on Integrated Chips)技術(shù)，它的堆疊芯片互聯(lián)的間距(pitch)小于一微米，這一尺度跟片上互聯(lián)的尺寸相當(dāng)。它是片上互聯(lián)，還是前道或后道，已經(jīng)分不清了。正因如此，現(xiàn)在真正先進(jìn)的封裝技術(shù)必須要用前道工藝來(lái)做，像臺(tái)積電、英特爾這些傳統(tǒng)Foundry能力較強(qiáng)的廠(chǎng)商，如果他們把強(qiáng)大的前道工藝加工能力，用作后道封裝集成，或會(huì)對(duì)中國(guó)大陸較強(qiáng)的封測(cè)能力造成降維打擊。這需要我們高度關(guān)注。RCYesmc

　　集成系統(tǒng)的定義，特色和意義

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　　集成電路 (IC)的定義，就是將晶體管、電阻、電容和電感等元器件及互連線(xiàn)制作(集成)在一小塊半導(dǎo)體芯片或介質(zhì)基片上，形成具有預(yù)期功能的電路。即所有元器件在結(jié)構(gòu)上已組成一個(gè)整體，使電路向著高密度、大規(guī)模、小型化、低功耗、低成本和高可靠性方向發(fā)展。RCYesmc

　　而集成系統(tǒng)(IS)的定義，則是將各種芯片、傳感器、元器件、天線(xiàn)、互連線(xiàn)等制作(集成)在一個(gè)基板上，形成具有預(yù)期功能的系統(tǒng)。即所有芯片與元器件在結(jié)構(gòu)上組成一個(gè)整體使系統(tǒng)高密度、小型化、強(qiáng)功能、低功耗、低成本、高可靠、易設(shè)計(jì)、易制作。RCYesmc

　　根據(jù)了解，集成系統(tǒng)主要有3大特色：RCYesmc

　　一、從頂層開(kāi)始設(shè)計(jì)可大大提高效率。系統(tǒng)規(guī)劃，協(xié)同設(shè)計(jì)，融合制造，一體化集成。RCYesmc

　　二、涵蓋5大跨度，即跨尺度，跨材料，跨工藝，跨維度，跨物理的集成技術(shù)。RCYesmc

　　三、在集成系統(tǒng)中，芯片只是組成部分之一，如果頂層設(shè)計(jì)的好，芯片的功能作用可被弱化，不用先進(jìn)的芯片同樣能實(shí)現(xiàn)需要的系統(tǒng)功能，比如利用芯粒(chiplet)技術(shù)、IP技術(shù)。用相對(duì)較落后的工藝，實(shí)現(xiàn)相對(duì)較為先進(jìn)的系統(tǒng)功能，這樣可以降低對(duì)光刻機(jī)的依賴(lài)。RCYesmc

　　集成系統(tǒng)的意義可概括為3點(diǎn)：RCYesmc

　　一、實(shí)現(xiàn)從電路集成向系統(tǒng)集成的跨越;RCYesmc

　　二、它是后摩爾時(shí)代，整個(gè)集成電路發(fā)展的重要方向之一;RCYesmc

　　三、它是整個(gè)中國(guó)，包括大灣區(qū)，深圳市，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)變道超車(chē)發(fā)展的突破口和歷史機(jī)遇。RCYesmc

　　毛軍發(fā)院士表示，如果說(shuō)過(guò)去60年是集成電路的時(shí)代，現(xiàn)在可以大膽的預(yù)測(cè)，未來(lái)60年很可能是集成系統(tǒng)的時(shí)代。預(yù)測(cè)是否準(zhǔn)確，尚待實(shí)踐加以檢驗(yàn)。RCYesmc

　　另外，他還指出，“集成系統(tǒng)”概念已經(jīng)提出，但現(xiàn)在全球沒(méi)有完全符合其特征的技術(shù)，但存在一些技術(shù)雛形。RCYesmc

　　一、如小芯片(chiplet)技術(shù)。RCYesmc

　　二、像封裝中的天線(xiàn)(AiP)技術(shù)。此技術(shù)就是把天線(xiàn)做到封裝里,通過(guò)一體化實(shí)現(xiàn)封裝系統(tǒng)小型化，將帶寬加寬，將差損減小。RCYesmc

　　三、是多功能無(wú)源元件技術(shù)。此技術(shù)就是用一個(gè)元件，實(shí)現(xiàn)過(guò)去五、六種分離元件結(jié)合在一起才實(shí)現(xiàn)的功能。毛軍發(fā)表示，原先的上海交大科技組，就做出了一款一體化集成的無(wú)源器件，它既是一個(gè)天線(xiàn)，也是一個(gè)功分器，也是個(gè)濾波器。RCYesmc

　　異質(zhì)集成技術(shù)

　　當(dāng)前最能體現(xiàn)上述3類(lèi)技術(shù)的，就是半導(dǎo)體異質(zhì)集成技術(shù)。它指的是將不同工藝節(jié)點(diǎn)的化合物半導(dǎo)體coms器件或芯片集成在一起，以突破單一工藝的功能與性能極限，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的復(fù)雜功能、優(yōu)異的綜合性能。毛軍發(fā)指出，集成系統(tǒng)技術(shù)雛形早就有了，只不過(guò)不這么叫而已。而異質(zhì)集成技術(shù)是集成系統(tǒng)最有力的技術(shù)手段。RCYesmc

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　　此外，據(jù)毛軍發(fā)介紹，美國(guó)的微電子計(jì)劃(JUMP)內(nèi)容很豐富,其重點(diǎn)之一就是異質(zhì)集成。美國(guó)希望通過(guò)異質(zhì)異構(gòu)，使整個(gè)電子系統(tǒng)性能(探測(cè)能力和速度)再提升100倍，功耗成本降至當(dāng)前的1%。它的效果就跟過(guò)去摩爾定律的效果相似，只不過(guò)技術(shù)手段不一樣。它繞開(kāi)了摩爾定律的發(fā)展方向，通過(guò)異質(zhì)集成的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。同時(shí)，他還指出，歐盟、日本、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，都在做這方面的一些研究。中國(guó)的上海交大、中電集團(tuán)、中科院、長(zhǎng)電科技等，也有一些相關(guān)研究。RCYesmc

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　　而在提及3D異質(zhì)集成的進(jìn)展時(shí)，毛軍發(fā)特別指出，IBM三維的異質(zhì)集成電路集成了邏輯、存儲(chǔ)、射頻、光電子和傳感器。它是典型的異質(zhì)集成技術(shù)的體現(xiàn)。RCYesmc

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　　集成系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)

　　對(duì)于異質(zhì)集成的發(fā)展趨勢(shì)，毛軍發(fā)認(rèn)為，集成系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)跟集成電路發(fā)展相似，它的工作速度和集成度會(huì)不斷提高，但有一點(diǎn)它是比較特殊的——它是通過(guò)將電、光、機(jī)，甚至包括生物傳感器，進(jìn)行一體化集成，來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的系統(tǒng)功能。RCYesmc

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　　鑒于以上趨勢(shì)，產(chǎn)業(yè)界所面對(duì)的挑戰(zhàn)仍非常嚴(yán)峻。毛軍發(fā)將其概括為3點(diǎn)：RCYesmc

　　一是多物調(diào)控，包括電力、溫度、應(yīng)力等。RCYesmc

　　二是多性能協(xié)同，涉及信號(hào)/電源完整性、熱、力等。RCYesmc

　　三是多材質(zhì)融合，則涵蓋硅、化合物半導(dǎo)體、Cu、BCB等。RCYesmc

　　另外，毛軍發(fā)還表示，跟摩爾定律相對(duì)應(yīng)，集成系統(tǒng)也有定律。它指的是一個(gè)系統(tǒng)里所集成的芯片數(shù)和元器件數(shù)量，也會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)翻一翻，其成本會(huì)下降一半等。RCYesmc

　　為了解決上述挑戰(zhàn)，我們需要解決5個(gè)關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題：RCYesmc

　　問(wèn)題一：集成系統(tǒng)體系架構(gòu)。如何把一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)，分解成不同的功能與性能，然后再選擇恰當(dāng)?shù)墓に嚱M合和封裝集成的模式。毛軍發(fā)認(rèn)為，與芯片架構(gòu)概念一樣，集成系統(tǒng)架構(gòu)也是最重要的。RCYesmc

　　問(wèn)題二：自動(dòng)化智能化協(xié)同設(shè)計(jì)。其涉及電信號(hào)、機(jī)械信號(hào)、機(jī)械性能和溫度特性，它們之間是相互矛盾的，但也需要協(xié)同。比如有源和無(wú)源電路的，有數(shù)字的和模擬的，有微波和的毫米波的，甚至包括光電的，它們之間非常復(fù)雜，既需要傳統(tǒng)的自動(dòng)化，也需要智能化的協(xié)同設(shè)計(jì)。RCYesmc

　　問(wèn)題三：工藝，特別是異質(zhì)界面生成與工藝量化調(diào)控機(jī)理。毛軍發(fā)表示：“過(guò)去的工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化都是定性的，就是靠工程師經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)控，我們能夠希望通過(guò)多物理場(chǎng)計(jì)算，把這些工藝參數(shù)能以定量的量化形式予以控制。”RCYesmc

　　問(wèn)題四：無(wú)源元件.天線(xiàn)的小型化，這是針對(duì)射頻系統(tǒng)而言的。打開(kāi)手機(jī)可以看到，濾波器和天線(xiàn)占據(jù)整個(gè)手機(jī)板面積的80%。把濾波器、電感、天線(xiàn)做小，是將整個(gè)系統(tǒng)做小的關(guān)鍵所在。但是濾波器、天線(xiàn)的性能與尺寸有點(diǎn)矛盾，尺寸越小它的性能越差。RCYesmc

　　問(wèn)題五：集成系統(tǒng)的可測(cè)性。因?yàn)榛A(chǔ)性底盤(pán)(多種材料、工藝的元器件、天線(xiàn)、芯片)都是三維集成，它的可測(cè)試點(diǎn)是有限的，而如果說(shuō)有限的測(cè)試數(shù)據(jù)中繁衍出一些缺陷，這也會(huì)給研究帶來(lái)挑戰(zhàn)。RCYesmc

　　研究成果：合作研制出首套及系列本土射頻EDA商用軟件

　　據(jù)悉，毛軍發(fā)院士所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，從上個(gè)世紀(jì)80年代末，就開(kāi)始研究IC封裝和互聯(lián)，一直持續(xù)至今。其中，包括了幾個(gè)重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)和事件，比如2005年，其團(tuán)隊(duì)從事片上系統(tǒng)的互聯(lián)問(wèn)題和高端IP核研究(中國(guó)電磁場(chǎng)微波技術(shù)領(lǐng)域第一個(gè)創(chuàng)新群體)；2009年，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了中國(guó)電子封裝領(lǐng)域第一個(gè)973項(xiàng)目，主要從事系統(tǒng)級(jí)封裝的基礎(chǔ)研究。2021年，團(tuán)隊(duì)獲批新建國(guó)家自然科學(xué)基金委“毫米波異質(zhì)集成電路”基礎(chǔ)科學(xué)中心。RCYesmc

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　　毛軍發(fā)院士達(dá)到深圳之后，2022年由深圳大學(xué)聯(lián)合上海交大以及中興微電子，申請(qǐng)成立射頻異質(zhì)異構(gòu)集成電路全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)在該實(shí)驗(yàn)室正在深大緊鑼密鼓的建設(shè)中。RCYesmc

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　　另外，毛軍發(fā)團(tuán)隊(duì)在EDA軟件工藝和系統(tǒng)方面取得一些進(jìn)展。比如其團(tuán)隊(duì)聯(lián)合芯和半導(dǎo)體研制出國(guó)內(nèi)第一款EDA軟件，以及后續(xù)幾十款的系列EDA軟件，其包括48款國(guó)產(chǎn)射頻EDA商用軟件工具;500種高精度PDK模型;與中芯國(guó)際工藝兼容的集成無(wú)源器件IP庫(kù)，已量產(chǎn)20億顆。RCYesmc

　　據(jù)介紹，IP庫(kù)經(jīng)過(guò)了臺(tái)積電、三星、格芯、中芯國(guó)際、意法半導(dǎo)體等晶圓廠(chǎng)嚴(yán)格認(rèn)證，包括CMOS、FinFET、BiCMOS、SOl、IPD等不同的工藝，并且這些軟件可在云端使用。RCYesmc

　　截止目前，他的團(tuán)隊(duì)成果已獲得200多家客戶(hù)，不僅包括中國(guó)本土較為知名的射頻、半導(dǎo)體或者系統(tǒng)廠(chǎng)商，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)美國(guó)思科、英特爾、IBM等國(guó)際公司的出口。盡管量不大，但是能夠反向出口也是一件比較難的事情。RCYesmc

　　此外，毛軍發(fā)團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了基于硅基MEMS和BCB的異質(zhì)健合工藝流程，基于異質(zhì)集成的W波段毫米波雷達(dá)，還有利用異質(zhì)集成開(kāi)發(fā)出非侵入式生命體征探測(cè)毫米波雷達(dá)等。RCYesmc