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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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。
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9 v& l- y: b9 V& D  V/ v4 c4 `8 x各国积极制定“后摩尔时代”半导体发展战略

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5 B# P; G/ n( G5 \( P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。
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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。
' h+ c( T6 J: h5 Z1 H! a5 m* U* H3. 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。

/ J" z9 m. W; B" R新封装：提高效率、降低成本，先进封装前景广阔
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9 z) t  a# _$ P) M2 i0 S: l# o  @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。
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; ?3 a# h, A$ R' b7 _# TSiP 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。
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+ K8 M1 [1 P+ @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。

/ h7 y3 h3 ?, g; g3 {（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
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% U% k3 m3 s' I# u1 WSiP 能节省空间，为其他部件提供更多可用面积
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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。

& u) A. W* \8 s. `Chiplet 实现异构集成
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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%。
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' m/ q+ b9 t3 e' H4 e先进封装市场规模有望快速增长
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新材料：助力半导体器件实现更高性能，迎来发展契机

$ u  D4 _; X$ L% W! `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。

+ K# F- `. ]/ t; ?4 S三代半导体材料发展现状及主要特性
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5 w' u% @+ C6 x# a' E, u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%。

; P4 r/ r0 k+ v3 z$ ~2 JGaN 射频器件市场规模预测
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SiC 功率器件市场规模预测
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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。
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) F3 ?" c! l0 x* ~! ^: k8 A2 M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。
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按技术和架构分类的四大类“技术范式”

1 w# z: l0 o6 b7 v* \, uRISC-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。


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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。

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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。

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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。

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新封装：提高效率、降低成本，先进封装前景广阔

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RISC-V 推动指令集架构创新