国产芯片如何突围？

来源：静默如初 发布时间：2022-10-15 10:40

现在存算一体技术已经开始从低功耗场景逐渐向有着更大算力需求的智能驾驶市场奋进。在智能时代里，从可穿着到自动驾驶，功耗约束下场景里的计算效率都是永恒的主题，存内计算是解放算力晋升能效比最强有力的武器之一。

2.Chiplet技术

Chiplet被行业普遍认为是未来5年算力的主要晋升技术。Chiplet可以使我们不再需要只依靠单个芯片机能的晋升，可以尝试利用新的开放尺度UCIe来优化设计的异构Chiplet，实现本钱上风和机能上的进步。

作为处理器的未来，Chiplet有几个很显著的好处：

成本低：一方面，现在的芯片面积变得越来越大，不仅制造难度增加，也增加了良率带来的损失，而通过将大芯片分成更小的Chiplet，进步了产量（或良率），则降低了制造本钱；另一方面是，Chiplet答应使用不同的制造节点创建异构的芯片，SoC中不同功能的模块可使用不同的wafer技术，高性能的可能需要5nm，其他机能可能只需要40或者28就可以做到机能最大化。此外，企业可以在多个产品中重复使用小芯片来减少设计时间和流片用度。据统计，Chiplet可以将7nm芯片设计的本钱降低25%，到5nm及以下，本钱节省更大。突破了SoC设计极限：Chiplet突破了光罩面积的规模极限，通过异质集成的方式突破了功能极限，使其不再受多工艺的约束，通过算力可扩展的方式晋升了芯片的机能，并通过灵敏开发的方式大大缩短了工期极限。

跟着全球消费电子工业、HPC运算等对Chiplet的需求，Chiplet市场前景一片大好。根据研究机构 Omdia 呈文，2024年采用Chiplet的处理器芯片的全球市场规模将达 58 亿美元，到2035年将达到570亿美元。

因为中国大陆的半导体制造业在进步前辈芯片方面有所落后，所以，利用新型封装技术集成和互连海内积累多年的处理器、存储器等Chiplet，达到对标或超过国外高端芯片算力目的，是突破半导体工艺被洽商的重要途径，对我国的集成电路工业具有重要意义。

3.硅光子技术

所谓硅光子集成技术，是以硅和硅基衬底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作为光学介质，通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件（包括硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等），并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理，以实现其在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用。

硅光技术的核心理念是“以光代电”，即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中。在硅片上用光取代传统铜线作为信息传导介质，大大晋升芯片之间的连接速度。后摩尔时代，光子芯片因其功耗低、低时延、具有高运算速度，且不易收到温度、电磁场和噪声变化的影响等优良特性，而被业界寄予厚望。

根据Gartner数据，2021年全球光芯片（含 CCD、CIS、LED、光子探测器、光耦合器、 激光芯片等）市场规模达 414 亿美元，预计2025年市场规模有望达561亿美元。

光子芯片采用全新的芯片设计架构思路，将能够对现有的电子芯片机能进行大幅度晋升，解决电子芯片解决不了的功耗、访存能力和计算机整体机能等困难。

而且光子芯片对结构的要求不像电芯片那样苛刻，光的波长在百纳米到1微米量级，因此，光芯片不必追求工艺尺寸的极限缩小，就能有更多的机能用以晋升空间，一般是百纳米级。但光芯片和电芯片各有上风，二者虽在某些场景有竞争，光子集成电路高速率传输和电子集成电路多功能、智能化的长处，固然在某些应用场景中，两者有竞争，但更多的时候，二者是共赢关系。未来光子芯片和电子芯片的结合，或将是工业立异的一个很重要的方向。

新材料

跟着摩尔定律逐渐失效，寻求硅以外的替代材料成为行业的一大方向，而碳纳米管则被看作一个有但愿的替代品。碳纳米管具有加工温度低、工作速度快、功耗低、更易实现三维异构集成等上风，最有可能成为后摩尔时代集成电路的颠覆性技术之一。国际半导体技术路线图很早就以为，碳纳米管是未来最理想的电子学材料。

在今年第25届京台科技论坛上，中国科学院院士、北京大学电子学院院长彭练矛表示，碳纳米管做的芯片综合性能可以比现在的硅基芯片进步成百上千倍。其另外一个长处就是，可以用二氧化碳制备碳纳米管，这样就可以消耗更多的二氧化碳。

理论仿真结果表明，采用三维集成的碳基集成电路较传统集成电路具有1000倍的机能功耗综合上风。根据已有研究成果估算，90纳米碳基集成电路技术可达到硅基主流28纳米技术节点的综合性能。因此，90纳米集成电路技术是碳基集成电路技术走向应用的枢纽节点。

“传统硅基芯片材料的潜力基本已被挖掘殆尽，无法满意行业未来进一步发展的需要，启用新材料是从根本上解决芯片机能题目的出路。”这是20年坚守碳基芯片研发的彭练矛所述。

目前其团队通过系统的优化阵列碳纳米管沟道材料，改善MOS栅叠层结构（碳纳米管/栅介质/栅金属），首次实现了基于阵列碳管的高性能增强型晶体管和集成电路，充分展现出碳管电子学的上风。相关论文已发表在国际着名期刊《进步前辈功能材料》上，论文第一作者北京大学电子学系、前沿交叉学科研究院博士生林艳霞表示，在工艺水平相对不进步前辈的实验室中研发出来的增强型晶体管和高速电路，就能达到晶体管迁移率接近单根碳管、并且比工业化水平成熟的硅基要高9倍多的水平。而且晶体管的实际机能也是第一次超过与硅基相同尺寸的晶体管机能，这正说明了碳晶体管、碳基芯片的无穷潜力，它有足够的气力推动未来集成电路工业的快速发展。

SiP进步前辈封装技术

封装也是一大抓手，More than Moore是中国集成电路的新机遇，把握进步前辈的系统级封装技术是实现技术超越的良机。自80年代中期，封装已经成为我国半导体供应链中的关键环节。而现在SiP这样的进步前辈封装已经成为中国半导体行业的技术重点。SiP被业界以为是延续摩尔定律的必然选择路径。上文所述的Chiplet也依赖于SiP和2.5D/3D这样的进步前辈封装技术。

SiP（System in Package）将具有不同功能的主动元件和被动元件，以及诸如微机电系统（MEMS）、光学（Optic）元件、处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内，成为可提供多种功能的单颗尺度封装元件，形成一个功能齐全的子系统。

SiP可以利用异质集成解决不同芯片工艺的兼容问题。此外，SiP还在专利壁垒，开发成本、研发周期方面具有上风。在后端环节，SiP相对于传统的PCBA也具有许多长处，如减小尺寸、增强机能、延长产品生命周期，降低后端应用企业的设计难度以及供应链治理本钱，进步产品可靠性等。SiP从终端电子产品角度出发，不再一味关注芯片本身的机能和功耗，而是转向更加务实的满意市场需求。

SiP方案已经开始从耳机这样的小型可穿着市场逐渐向家电和汽车等市场蔓延，例如SiP可用于汽车微处理器、存储器、输入输出接口、模数转换器等大规模集成电路及合成发动机控制单元。另外，汽车防抱死系统、燃油喷射控制系统、安全气囊电子系统、方向盘控制系统、轮胎低气压报警系统等采用SiP的形式也在不断增多。

根据Yole猜测，2025年进步前辈封装的占比将晋升至整体封测行业的49.4%，其中SiP封装被市场看好，在2020年到2026年年间，基于覆晶(FC)和打线接合(WB)的SiP市场将以5%的CAGR成长至170 亿美元的规模。同期，嵌入式芯片(Embedded Die，ED) SiP市场则将以25%的CAGR 增加到1.89亿美元；扇出型(FO) SiP市场价值预计以6%的CAGR20-26成长至16亿美元。

但SiP的发展需要不同专业领域来互相配合，包括IC基板、封装技术、模组设计与系统整合能力等。当下，从海内半导体产业结构来看，各领域分布广泛且逐渐完整，已经具有上中下游合作的基础前提。这对于从业者来说，是很好的发展机会。

结语

综上，可以看出，后摩尔时代，有很多新技术正在被产业界开辟出来。但是需要重视的是，任何一个新技术其背后所面临的的挑战都将是巨大的，不仅是技术本身上的困难，还有产业链的配套方面的缺失，所以每一项技术都需要形成一个好的工业生态，搭建平台、优化生态，产业链上下游加大合作。