新封装、新材料、新架构驱动后摩尔时代集成电路发展

grand · 发表于 2021-5-19 09:25

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国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议 5 月 14日在北京召开。会议专题讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。

各国积极制定“后摩尔时代”半导体发展战略

摩尔定律放缓，后摩尔时代到来。摩尔定律预言，通过芯片工艺的演进，每 18 个月芯片上可容纳的晶体管数量翻一番，达到提成芯片性能和降低成本的目的。近些年，随着芯片工艺不断演进，硅的工艺发展趋近于其物理瓶颈，晶体管再变小变得愈加困难。在摩尔定律放缓以及算力和存储需求爆发的双重压力下，以硅为主体的经典晶体管很难维持集成电路产业的持续发展，后摩尔时代到来。

从后摩尔时代创新的方式看，主要围绕新封装、新材料和新架构三方面展开。
1. 新封装领域，3D 封装、SiP（System In a Package，系统级封装）已实现规模商用，以 SiP 等先进封装为基础的 Chiplet 模式未来市场规模有望快速增长，目前台积电、AMD、Intel 等厂商已纷纷推出基于 Chiplet 的解决方案。
2. 新材料领域，随着 5G、新能源汽车等产业的发展，硅难以满足对高频、高功率、高压的需求以 GaAs、GaN、SiC 为代表的第二代和第三代半导体迎来发展契机。
3. 新架构领域，以 RISC-V 为代表的开放指令集将取代传统芯片设计模式，更高效应对快速迭代、定制化与碎片化的芯片需求。为应对大数据、人工智能等高算力的应用要求，AI NPU 兴起。存内计算架构将数据存储单元和计算单元融合为一体，能显著减少数据搬运，极大地提高计算并行度和能效。长期来看，量子、光子、类脑计算也有望取得突破。

新封装：提高效率、降低成本，先进封装前景广阔

随着节点缩小，工艺变得越来越复杂且昂贵，在经典平面缩放耗尽了现有技术资源、应用又要求集成更加灵活和多样化的今天，若在芯片中还想“塞进更多元件”，就必须扩展到立体三维，从异构集成(HI)中找出路。

SiP 优势显著，是超越摩尔定律的必然选择路径。受限于摩尔定律的极限，单位面积可集成的元件数量越来越接近物理极限。而 SiP 封装技术能实现更高的集成度，组合的系统具有更优的性能，是超越摩尔定律的必然选择路径。

相比 SOC，（1）SiP 技术集成度更高，但研发周期反而更短。SiP 技术能减少芯片的重复封装，降低布局与排线难度，缩短研发周期。采用芯片堆叠的 3D SiP 封装，能降低 PCB 板的使用量，节省内部空间。例如：iPhone7 PLUS 中采用了约 15 处不同类型的 SiP 工艺，为手机内部节省空间。SiP 工艺适用于更新周期短的通讯及消费级产品市场。

（2）SiP 能解决异质（Si，GaAs）集成问题。手机射频系统的不同零部件往往采用不同材料和工艺，如：硅，硅锗(SiGe)和砷化镓(GaAs)以及其它无源元件。目前的技术还不能将这些不同工艺技术制造的零部件制作在一块硅单晶芯片上。但是采用 SiP 工艺却可以应用表面贴装技术 SMT 集成硅和砷化镓裸芯片，还可以采用嵌入式无源元件，非常经济有效地制成高性能 RF 系统。光电器件、MEMS 等特殊工艺器件的微小化也将大量应用 SiP 工艺。

随着系统复杂度提升，SiP 成本及开发周期优势显著

SiP 能节省空间，为其他部件提供更多可用面积

Chiplet 模式有望兴起，兼具设计弹性、成本节省、加速上市三大优势。Chiplet 模式采用不同于 SoC 设计的方式，将大尺寸的多核心的设计，分散到较小的芯片，再通过先进封装的形式以一种类似搭积木的模式实现整合，更能满足现今高效能运算处理器的需求；而弹性的设计方式不仅提升灵活性，也能有更好的良率及节省成本优势，并减少芯片设计时程，加速芯片 Time to market（上市）的时间。综合而言，相对于 SoC，Chiplet 将有设计弹性、成本节省、加速上市等三大优势。SiP 等先进封装技术是 Chiplet 模式的重要实现基础，Chiplet 模式的兴起有望驱动先进封装市场快速发展。

Chiplet 实现异构集成

先进封装市场有望快速成长。根据 Yole development 的预测，全球先进封装市场规模有望从 2020 年的约 260 亿美元提升至 2025 年的约 380 亿美元，CAGR 达 8%。

先进封装市场规模有望快速增长

新材料：助力半导体器件实现更高性能，迎来发展契机

目前市面上 9 成以上半导体器件都是以第一代元素半导体材料之一，硅(Si)材料制作，具有集成度高、稳定性好、功耗低、成本低等优点。但在后摩尔时代，除了更高集成度的发展方向之外，通过不同材料在集成电路上实现更优质的性能是发展方向之一。同时随着 5G、新能源汽车等产业的发展，对高频、高功率、高压的半导体需求，硅基半导体由于材料特性难以完全满足，以 GaAs、GaN、 SiC 为代表的第二代和第三代半导体迎来发展契机。

三代半导体材料发展现状及主要特性

根据 Yole development 的预测，全球 GaN 射频器件市场规模将从 2019 年的 7.4 亿美元达到 2025 年的 20 亿美元，CAGR 约 12%。全球 SiC 功率器件市场规模将从 2018 年的 3.7 亿美元增长至 2023 年的近 14 亿美元，CAGR 超过 30%。

GaN 射频器件市场规模预测

SiC 功率器件市场规模预测

新架构：架构创新来到黄金时代

计算机架构创新诉求愈加迫切。当前计算机的发展大多选择以数值计算见长的冯·诺依曼架构，随着摩尔定理逐渐失效，冯·诺依曼架构带来的局限日益明显，存储墙、功耗墙、智能提升等问题，让当前计算机发展面临重大挑战，迫切需要架构创新，架构创新迎来黄金时代。

架构创新主要包括：
1. “硅-冯”范式内的架构创新：“在串行体制”内进行并行的体系结构创新。
2. 类硅模式：基于现行架构开发电荷状态变换的新技术，涉及 NC FET(负电容)、TFET(隧穿)、相变 FET、SET(单电子)等仍属电荷变换的非 CMOS 技术，由于能延续摩尔定律，受到了半导体业界的重视。
3. 类脑模式：利用包括存储器在内的各种集成电路和 3D 封装模拟神经元特性，摸索存算一体等计算，因其并行性、低功耗的特点，已经在人工智能领域引起了广泛注意，并已获得某些工业应用。
4. 新兴范式：基于新形态变换的量子、形态计算，涉及新的状态变换(信息强相关电子态/自旋取向)、新兴器件技术(自旋器件/量子)和新兴架构(量子计算/神经形态计算)，商业化难度很大。

按技术和架构分类的四大类“技术范式”

RISC-V 推动指令集架构创新。RISC-V 指令集完全开源，设计简单，易于移植 Unix 系统，模块化设计，完整工具链，同时有大量的开源实现和流片案例，得到很多芯片公司的认可。以 RISC-V 为代表的开放指令集及其相应的开源 SoC 芯片设计、高级抽象硬件描述语言和基于 IP 的模板化芯片设计方法，将取代传统芯片设计模式，更高效应对快速迭代、定制化与碎片化的芯片需求。目前 RISC-V 在可穿戴产品上应用广泛，同时也适合服务器 CPU，家用电器 CPU，工控 CPU 的应用。

tend · 发表于 2021-5-19 09:58

SiP 优势显著，是超越摩尔定律的必然选择路径。受限于摩尔定律的极限，单位面积可集成的元件数量越来越接近物理极限。而 SiP 封装技术能实现更高的集成度，组合的系统具有更优的性能，是超越摩尔定律的必然选择路径。

nut1 · 发表于 2021-5-19 15:43

没错，目前市面上 9 成以上半导体器件都是以第一代元素半导体材料之一，硅(Si)材料制作，具有集成度高、稳定性好、功耗低、成本低等优点。但在后摩尔时代，除了更高集成度的发展方向之外，通过不同材料在集成电路上实现更优质的性能是发展方向之一。同时随着 5G、新能源汽车等产业的发展，对高频、高功率、高压的半导体需求，硅基半导体由于材料特性难以完全满足，以 GaAs、GaN、 SiC 为代表的第二代和第三代半导体迎来发展契机。

keep · 发表于 2021-5-19 15:47

计算机架构创新诉求愈加迫切。当前计算机的发展大多选择以数值计算见长的冯·诺依曼架构，随着摩尔定理逐渐失效，冯·诺依曼架构带来的局限日益明显，存储墙、功耗墙、智能提升等问题，让当前计算机发展面临重大挑战，迫切需要架构创新，架构创新迎来黄金时代。

opipo · 发表于 2021-5-31 18:02

新封装：提高效率、降低成本，先进封装前景广阔

lahhse · 发表于 2021-6-8 17:54

RISC-V 推动指令集架构创新

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新封装、新材料、新架构驱动后摩尔时代集成电路发展

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