劉新陽/LIU Xinyang，晁沛蔭/CHAO Peiyin，李婷宇/LI Tingyu

（深圳市中興微電子技術(shù)有限公司，中國 深圳 518055）

1 宏觀環(huán)境變化帶來集成電路產(chǎn)業(yè)新形勢

1.1 國際集成電路產(chǎn)業(yè)形勢

集成電路是一個(gè)全球化的產(chǎn)業(yè)，參與全球化分工的各個(gè)國家、地區(qū)依托自身的優(yōu)勢，歷經(jīng)數(shù)十年市場競爭，形成了當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)格局。美、歐、日、韓、中國是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的主要參與方。其中，美、歐、日在集成電路上游領(lǐng)域較強(qiáng)。美國整體優(yōu)勢最大，例如美國在電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）、IP、裝備等領(lǐng)域均有明顯優(yōu)勢，歐洲在IP、裝備領(lǐng)域較強(qiáng)，而日本在材料、裝備方面占優(yōu)。2018年以來，中美科技競爭愈演愈烈，人工智能[1-5]、5G[6-9]等未來數(shù)字化、智能化產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵技術(shù)成為競爭焦點(diǎn)。作為算、存、傳、管、智數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施的底層關(guān)鍵技術(shù)，集成電路更是受到前所未有的關(guān)注。圍繞集成電路產(chǎn)業(yè)的競爭逐漸從企業(yè)層面擴(kuò)展到產(chǎn)業(yè)鏈甚至國家/地區(qū)層面。集成電路全球產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展越來越具有不確定性。

2021年2月，拜登政府執(zhí)政之初就“美國供應(yīng)鏈安全”簽署了14017號行政命令。同年6月，白宮發(fā)布了一份《供應(yīng)鏈百日評估》報(bào)告，指出美國供應(yīng)鏈存在的一系列漏洞，并要求“建立有彈性的供應(yīng)鏈，振興美國制造業(yè)，促進(jìn)廣泛的增長”。在這一報(bào)告的指導(dǎo)下，美國隨后密集出臺相關(guān)法令法規(guī)，一方面通過政策、金融、市場等多種手段加強(qiáng)其在前沿技術(shù)上的研發(fā)和市場優(yōu)勢，推動芯片生產(chǎn)制造端重新回歸美國國內(nèi)，建設(shè)本土半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)鏈；另一方面在其政治盟友的基礎(chǔ)上構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈盟友圈，在降低自生供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)遏制戰(zhàn)略對手獲得半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)和裝備。其中，影響力較大的法令法規(guī)包括：

· 2022年8月9日，美國通過《2022年芯片與科學(xué)法案》，向新興技術(shù)提供超過2 000億美元的投資，其中對美國本土芯片產(chǎn)業(yè)提供超過500億美元補(bǔ)貼，涵蓋半導(dǎo)體制造激勵(lì)、商業(yè)研發(fā)和勞動力發(fā)展、教育基金、國防基金、創(chuàng)新基金等，同時(shí)要求任何接受補(bǔ)貼的公司10年內(nèi)禁止在“特定國家”擴(kuò)大和新建芯片產(chǎn)能。

· 2022年8月12日，美國商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）出臺新規(guī)定，限制全柵場效應(yīng)晶體管（GAAFET）電子計(jì)算機(jī)輔助軟件（EDA/ECAD）、寬禁帶半導(dǎo)體材料氧化鎵（Ga2O3）和金剛石、壓力增益燃燒技術(shù)（PGC）等前沿技術(shù)出口。

· 2022年10月8日，BIS發(fā)布新規(guī)定，對出口管制條例（EAR）進(jìn)行修訂，增加對先進(jìn)計(jì)算芯片、超級計(jì)算機(jī)等的出口限制，并增加外國直接產(chǎn)品FDP腳注的公司名單，以及對美國人/美國公司的出口合規(guī)約束。本次修訂對中國企業(yè)獲取高性能計(jì)算芯片、超級計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體制造設(shè)備進(jìn)行了嚴(yán)格限制。

· 2023年9月22日，美國商務(wù)部國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）發(fā)布了《芯片法案》（“CHIPS Act”）護(hù)欄條款實(shí)施細(xì)則，將所有位于中國的企業(yè)（不限于國有企業(yè)）列為受關(guān)注外國實(shí)體。

· 2023年10月18日，BIS修改出口管制條款，進(jìn)一步收緊對先進(jìn)計(jì)算和先進(jìn)工藝的限制，展現(xiàn)了保持甚至拉大中美技術(shù)差距的戰(zhàn)略決心。

作為集成電路產(chǎn)業(yè)地圖上的重要成員，歐洲和日本在今年也相繼發(fā)布了相關(guān)法案。2023年1月24日，《歐洲芯片法案》草案和修正案通過，其配套的430億歐元資金與美國芯片法案接近。該法案主要目標(biāo)是解決集成電路供應(yīng)短缺問題，加強(qiáng)歐洲的技術(shù)領(lǐng)先地位，并制定措施，與成員國和國際合作伙伴一起應(yīng)對未來供應(yīng)鏈中斷的挑戰(zhàn)。僅3天后，就傳出美國已和荷蘭、日本就限制向中國出口一些先進(jìn)的芯片制造設(shè)備達(dá)成協(xié)議的消息。2023年7月23日，日本修訂外匯與外貿(mào)法相關(guān)法令，對先進(jìn)半導(dǎo)體制造所需的23個(gè)品類設(shè)備追加出口管制的措施開始正式生效。

可以看出，各國家/地區(qū)正在通過宏觀政策強(qiáng)化自身在集成電路產(chǎn)業(yè)鏈上的力量，這使全球化發(fā)展趨勢面臨更大的不確定性。在此背景下，加強(qiáng)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈自立自強(qiáng)是中國必由之路。

1.2 中國集成電路產(chǎn)業(yè)形勢

在“十四五”產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型政策的推動下，各行各業(yè)對人工智能、5G等技術(shù)的需求持續(xù)擴(kuò)大。作為數(shù)字化底座的基礎(chǔ)技術(shù)，中國集成電路產(chǎn)業(yè)一方面受到市場需求的推動，對芯片特別是高端芯片的需求越來越大[10]，另一方面由于全球化產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展面臨不確定性，供應(yīng)端風(fēng)險(xiǎn)在增大。

習(xí)近平總書記說過，“關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來、買不來、討不來的”。面對宏觀環(huán)境的不確定性，中國最具確定性的出路，就是打出政策、產(chǎn)業(yè)、技術(shù)和人才體系的全方位組合拳，對中國集成電路產(chǎn)業(yè)鏈形成有效推動力。

近年來，中國集成電路產(chǎn)業(yè)鏈在各個(gè)環(huán)節(jié)都取得長足進(jìn)步：

· 裝備和材料實(shí)現(xiàn)從無到有，對成熟制程形成整體供給支撐能力，部分產(chǎn)品進(jìn)入先進(jìn)制程供應(yīng)體系；

· 制造工藝技術(shù)取得長足進(jìn)步，邏輯電路、三維閃存、內(nèi)存均有突破，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；

· 封裝集成從中低端進(jìn)入高端，傳統(tǒng)封裝規(guī)模世界第一，先進(jìn)封裝達(dá)到國際先進(jìn)水平，技術(shù)種類覆蓋90%；

· 設(shè)計(jì)能力得到大幅提升，處理器、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、通信系統(tǒng)級芯片（SoC）等高端芯片取得重大突破。

中國集成電路產(chǎn)業(yè)不斷攻克技術(shù)難題，產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)向上突破，并向產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系化建設(shè)發(fā)展。

中國的集成電路產(chǎn)業(yè)在快速發(fā)展，但也存在發(fā)展時(shí)間短、關(guān)鍵領(lǐng)域處于落后位置的問題。中國的服務(wù)器、通用處理器在技術(shù)和市場上均取得快速提升，而國際領(lǐng)先者Intel、NVIDIA等公司也不斷推出新產(chǎn)品，他們不僅在先進(jìn)工藝、先進(jìn)封裝領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展，還在領(lǐng)域定制、異構(gòu)計(jì)算、Chiplet[11]等架構(gòu)創(chuàng)新的推動下獲得性能領(lǐng)先。這使得中國同類產(chǎn)品與國際領(lǐng)先者的差距進(jìn)一步拉大。中國迫切需要有競爭力的設(shè)計(jì)企業(yè)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品競爭力的突破，需要在技術(shù)路線上堅(jiān)持多元化發(fā)展，立足內(nèi)循環(huán)，堅(jiān)持雙循環(huán)，積極吸收和應(yīng)用外部的先進(jìn)技術(shù)和能力，以便更好地支撐千行百業(yè)的數(shù)字化升級。

2 未來技術(shù)發(fā)展趨勢

集成電路技術(shù)創(chuàng)新對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展非常重要，是經(jīng)濟(jì)增長的觸發(fā)器。信息社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型對數(shù)據(jù)獲取、存儲、處理需求的不斷增加，導(dǎo)致算力需求指數(shù)持續(xù)上升。集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)，是單位面積、單位功耗或單位成本下計(jì)算密度、存儲密度、連接密度的不斷提高。自2018年起，大模型蓬勃發(fā)展[12]。2023年ChatGPT的火爆更是為該領(lǐng)域發(fā)展按下加速鍵，全球科技企業(yè)與研究院校等紛紛推出自己的大模型。由此帶來的新一輪AI芯片對算力、存力、運(yùn)力均提出更高需求，如圖1所示。

圖1 模型計(jì)算特征與芯片關(guān)鍵指標(biāo)

在圖2中藍(lán)色為傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）等傳統(tǒng)模型訓(xùn)練算力，紅色為大模型訓(xùn)練算力，灰色為摩爾定律下硬件算力。該圖表明，隨著大模型參數(shù)量規(guī)模增長至千億甚至萬億量級，大模型訓(xùn)練算力每2年提升750倍，芯片算力隨摩爾定律每2年提升2倍，大模型訓(xùn)練所需算力增速已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過摩爾定律帶來的算力供應(yīng)能力。隨著未來越來越多的大模型應(yīng)用落地，更大的算力需求將被釋放。由于芯片算力=晶體管密度×芯片面積×利用率，因此算力的提升需要從3個(gè)方向同時(shí)發(fā)力，在先進(jìn)工藝、先進(jìn)封裝、架構(gòu)創(chuàng)新等方向多路徑創(chuàng)新。

圖2 模型訓(xùn)練計(jì)算量與摩爾定律隨時(shí)間發(fā)展增速對比[13]

2.1 先進(jìn)工藝

晶體管密度的提升來自于先進(jìn)工藝的不斷演進(jìn)。數(shù)十年來，摩爾定律是集成電路技術(shù)發(fā)展的主旋律：每18～24個(gè)月實(shí)現(xiàn)性能、功耗、面積（PPA）性能翻倍，推動著集成電路從技術(shù)、產(chǎn)品到產(chǎn)業(yè)持續(xù)指數(shù)發(fā)展。盡管摩爾定律現(xiàn)在有所放緩，但是在光刻技術(shù)、材料、晶體管結(jié)構(gòu)等的推動下仍在持續(xù)演進(jìn)。如表1所示，工藝制程對PPA提升的貢獻(xiàn)是其他路徑所無法替代的。提高晶體管密度可以使產(chǎn)品集成度增加，從而可在單位面積上實(shí)現(xiàn)更多的功能；提升晶體管速度可以提高工作頻率，進(jìn)而提升產(chǎn)品性能；降低晶體管功耗有助于減少整機(jī)功耗，從而讓產(chǎn)品變得更加節(jié)能。

▼表1 TSMC典型工藝節(jié)點(diǎn)對性能、功耗、面積（PPA）的提升

因此，國際領(lǐng)先的晶圓廠均在持續(xù)提高工藝水平。TSMC在晶圓代工制造領(lǐng)域仍處于絕對領(lǐng)先地位，主節(jié)點(diǎn)2年一代，保持持續(xù)領(lǐng)先優(yōu)勢?？梢灶A(yù)見，裝備技術(shù)和材料科學(xué)的持續(xù)進(jìn)步，將為集成電路的持續(xù)微縮提供技術(shù)基礎(chǔ)，推動先進(jìn)工藝制程在未來數(shù)年里繼續(xù)向1 nm節(jié)點(diǎn)發(fā)展。

2.2 先進(jìn)封裝

在半導(dǎo)體制程工藝提升放緩的趨勢下，使用先進(jìn)封裝實(shí)現(xiàn)更高集成度，可以擴(kuò)展芯片面積，從而提升算力，這成為業(yè)界越來越關(guān)注的技術(shù)方向。先進(jìn)封裝分為2.5D封裝和3D封裝。前者在二維平面擴(kuò)展芯片面積，后者在三維豎直方向堆疊擴(kuò)展芯片面積。硅通孔（TSV）技術(shù)是先進(jìn)封裝的基礎(chǔ)技術(shù)之一。高密度高深寬比的TSV制備效果直接關(guān)系到集成技術(shù)的可靠性和良率等問題。

2.5D封裝可以通過扇出、硅橋、硅中介層、重分布中介層、混合中介層等方式實(shí)現(xiàn)。目前業(yè)界主流且已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的代表技術(shù)包括CoWoS（TSMC）、InFO_oS（TSMC）、EMIB（Intel）等，如圖3所示。2.5D封裝需求強(qiáng)勁，尺寸和結(jié)構(gòu)持續(xù)發(fā)展，其中大尺寸是發(fā)展趨勢。單芯片制造的最大面積上限由光刻機(jī)的光罩尺寸（reticle）決定。當(dāng)前2.5D封裝尺寸可達(dá)3.3×reticle面積（3 000 mm2左右），未來2年預(yù)計(jì)可達(dá)6×reticle面積（5 000 mm2左右）。與此同時(shí)，晶圓級封裝也得到越來越多的應(yīng)用。中國主流晶圓廠和封測廠等封裝產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)廠商紛紛建立2.5D先進(jìn)封裝能力。

圖3 業(yè)界典型2.5D封裝和3D封裝技術(shù)

相比于2.5D封裝，3D封裝可以提供更高帶寬、更低延遲、更低功耗、更強(qiáng)系統(tǒng)集成能力。與此同時(shí)，3D封裝的封裝復(fù)雜度、成本也更高。目前，3D封裝在中央處理器/圖形處理器、存儲、光電合封芯片等領(lǐng)域都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。同時(shí)，3D封裝從微凸點(diǎn)向混合鍵合演進(jìn)，通過更高的互連密度來大幅提升帶寬。中國3D封裝在存儲領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，邏輯芯片也已進(jìn)入研發(fā)導(dǎo)入流程。

綜上所述，先進(jìn)封裝有多種細(xì)分技術(shù)方向，在帶寬、封裝面積、信號完整性（SI）、電源完整性（PI）、熱管理、工藝成熟度和成本等方面各有不同，需要結(jié)合相應(yīng)產(chǎn)品需求選擇匹配的封裝方案。

2.3 架構(gòu)創(chuàng)新

圖靈獎獲得者J.M.HENNESSY和D.A.PATTERSON認(rèn)為，CPU等通用架構(gòu)處理器的性能增加越來越緩慢，未來10年將是體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的黃金年代。特定領(lǐng)域架構(gòu)（DSA）的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。Google、Tesla等基于特定應(yīng)用設(shè)計(jì)他們的DSA芯片。即便當(dāng)前占據(jù)絕對市場的Nvidia GPGPU芯片也越來越多地通過融合DSA設(shè)計(jì)來提升性能。通過分析需求場景和算法特點(diǎn)，DSA可以發(fā)現(xiàn)不能被當(dāng)前架構(gòu)較好支持的部分，并能用指令粗粒度固化該部分進(jìn)行加速計(jì)算，從而提高系統(tǒng)性能。然而DSA架構(gòu)在軟件方面仍存在巨大挑戰(zhàn)，例如指令的碎片化會導(dǎo)致軟件適配的工作難以被下一代芯片復(fù)用。因此，架構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于：根據(jù)算法趨勢和應(yīng)用場景，在硬件極致能效和通用可編程之間找到平衡。

除DSA外，另一種重要的架構(gòu)創(chuàng)新是被稱為“樂高式”架構(gòu)的異構(gòu)集成Chiplet架構(gòu)技術(shù)，即小芯片或芯粒。Chiplet技術(shù)將多個(gè)可模塊化芯片（主要形態(tài)為裸片“Die”）通過Die to Die互連技術(shù)集成在一個(gè)封裝內(nèi)，構(gòu)成專用功能異構(gòu)芯片。Chiplet能夠從成本、性能、最小化資源需求和靈活搭配4個(gè)角度對現(xiàn)有架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，逐漸成為未來算力方案的基礎(chǔ)架構(gòu)。

Chiplet技術(shù)不是簡單的“拆/分”“拼接”方案，要想最大化產(chǎn)品的性能、功耗、面積、成本競爭力，需要從先進(jìn)封裝、Die to Die互連技術(shù)、系統(tǒng)級協(xié)同設(shè)計(jì)3個(gè)維度協(xié)同創(chuàng)新。先進(jìn)封裝是實(shí)現(xiàn)2.5D封裝的工藝基礎(chǔ)。Die to Die互連技術(shù)是系統(tǒng)能夠高效組合芯粒的關(guān)鍵技術(shù)?；ミB協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具備兼容性與開放性。目前國際上BoW（開放計(jì)算項(xiàng)目提出的并行互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)）、AIB（Intel提出的并行互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)）等并行方案可能趨向收斂于UCIe（Intel提出的通用Chiplet并行互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)），但仍存在超短距離SerDes串行互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)（XSR）和極短距離SerDes串行互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)（USR）等少量串行方案。與此同時(shí)，中國相關(guān)聯(lián)盟也在建立標(biāo)準(zhǔn)，積極推動Chiplet生態(tài)建設(shè)。系統(tǒng)級協(xié)同設(shè)計(jì)是指如何根據(jù)目標(biāo)，構(gòu)建最優(yōu)的芯粒分解-組合-集成方案，同時(shí)在整個(gè)前端-后端-封裝的開發(fā)流程中進(jìn)行適配。此外，Chiplet技術(shù)還面臨著散熱、供電、多物理場仿真、可測性等方面的挑戰(zhàn)，需要芯片設(shè)計(jì)公司、OSAT、Foundry、EDA、IP、原始材料供應(yīng)商等產(chǎn)業(yè)鏈各方共同培育完整的生態(tài)。

3 結(jié)束語

集成電路產(chǎn)業(yè)對人工智能、5G等產(chǎn)業(yè)升級起到關(guān)鍵基礎(chǔ)作用，是全球科技競爭的焦點(diǎn)之一。各個(gè)國家/地區(qū)在通過政策手段加強(qiáng)自身競爭優(yōu)勢、降低供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，向競爭對手施加出口管制，給產(chǎn)業(yè)的供需端帶來更大的不確定性。在外部宏觀環(huán)境的變化和自身產(chǎn)業(yè)升級需求的推動下，中國致力于建設(shè)自立自強(qiáng)、可持續(xù)發(fā)展的集成電路產(chǎn)業(yè)，為各行業(yè)的產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和全球競爭提供支撐。從技術(shù)發(fā)展趨勢來看，中國既要在先進(jìn)工藝、先進(jìn)封裝、架構(gòu)創(chuàng)新等方面進(jìn)行多路徑創(chuàng)新，同時(shí)也要堅(jiān)持多樣化發(fā)展，進(jìn)行獨(dú)特的路徑創(chuàng)新，建立可持續(xù)發(fā)展生態(tài)。

致謝

感謝深圳市中興微電子技術(shù)有限公司王健、龐健和吳楓對本論文做出的貢獻(xiàn)！