毛軍發(fā)院士 | 從集成電路到集成系統(tǒng)

閏木 2023-06-16 發(fā)布于四川

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吳林晟, 毛軍發(fā). 從集成電路到集成系統(tǒng). 中國(guó)科學(xué): 信息科學(xué), doi: 10.1360/SSI-2022-0414

研究意義

摩爾定律已面臨物理、技術(shù)與成本極限的多重挑戰(zhàn)，集成電路在沿著摩爾定律預(yù)測(cè)的尺寸縮小路徑艱難發(fā)展的同時(shí)，亟需開(kāi)辟新的方向。集成電路是我國(guó)高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)被“卡脖子”的一個(gè)痛點(diǎn)，從先進(jìn)材料、元器件、制造裝備、測(cè)試設(shè)備、EDA工具到高端芯片產(chǎn)品全面被禁運(yùn)，嚴(yán)重制約了我國(guó)高新技術(shù)的自主發(fā)展，甚至威脅到國(guó)家安全。因此，快速發(fā)展自主可控的集成電路技術(shù)已上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。而由于其強(qiáng)大的功能、優(yōu)異的性能、對(duì)設(shè)備要求相對(duì)較低以及與歐美差距相對(duì)較小，集成系統(tǒng)技術(shù)在摩爾定律面臨挑戰(zhàn)的今天，已成為我國(guó)集成電路科技與產(chǎn)業(yè)變道超車(chē)發(fā)展的突破口和歷史機(jī)遇。

概念內(nèi)涵

集成系統(tǒng)（Integrated Systems，IS）定義為，將化合物半導(dǎo)體高性能器件或芯片，硅基低成本、高集成度器件或芯片，微機(jī)械、微光學(xué)、微能源、微流動(dòng)等元部件，以及無(wú)源元件與天線等各種不同工藝種類與節(jié)點(diǎn)、不同尺度與架構(gòu)的元器件、芯片或組件進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)所需要的微電子系統(tǒng)。集成系統(tǒng)中所有芯片、元器件、互連線在結(jié)構(gòu)上組成一個(gè)整體，提升系統(tǒng)高密度、小型化、強(qiáng)功能、高可靠、低功耗、低成本、易設(shè)計(jì)、易制作等方面的能力。集成系統(tǒng)具有跨尺度、跨材料、跨工藝、跨維度、跨物理、一體化的特征。

一種集成系統(tǒng)示意圖

集成系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可以總結(jié)為：

（1）集成度、工作速度不斷提高；

（2）電-光-聲-機(jī)-生物多元一體融合；

（3）后端集成與前端芯片工藝相向發(fā)展。

集成系統(tǒng)面臨多物理調(diào)控（電磁、溫度、應(yīng)力等）、多性能協(xié)同（電磁、信號(hào)/電源完整性、熱、機(jī)械、可靠性等）、多材質(zhì)融合（硅、化合物半導(dǎo)體、有機(jī)、相變材料等）三方面的挑戰(zhàn)，需要解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題概括為：

（1）集成系統(tǒng)體系架構(gòu)；

（2）電-熱-力跨尺度耦合多物理效應(yīng)與演變規(guī)律；

（3）多性能多功能協(xié)同機(jī)制；

（4）異質(zhì)界面生成與工藝量化調(diào)控機(jī)理；

（5）可測(cè)性原理；

（6）集成系統(tǒng)的協(xié)同仿真設(shè)計(jì)。

技術(shù)雛形

（1）芯粒技術(shù)：近年來(lái)興起的芯粒（Chiplet）技術(shù)將單一先進(jìn)工藝的大芯片分解成多個(gè)特征模塊，每個(gè)模塊（芯粒）用各自最適合的工藝實(shí)現(xiàn)，再通過(guò)先進(jìn)封裝集成技術(shù)將其重組為一顆芯片。

（2）封裝天線技術(shù)：指在包含無(wú)線芯片的封裝結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)集成化的天線或陣列。與射頻系統(tǒng)級(jí)封裝即RF-SiP技術(shù)相伴，AiP將無(wú)線芯片、天線輻射單元或陣列、封裝體及其它必備部件協(xié)同設(shè)計(jì)和一體化集成。

（3）多功能無(wú)源元件：將多種不同功能的元件結(jié)合為協(xié)同或融合設(shè)計(jì)的多功能元件，可以顯著減少系統(tǒng)所需元件和轉(zhuǎn)接數(shù)量，大幅減小電路尺寸，降低插損，提高集成度.

（4）異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)：將不同工藝節(jié)點(diǎn)的化合物半導(dǎo)體材料高性能器件或芯片、硅基低成本高集成度器件或芯片（都含光電子器件或芯片）、無(wú)源元件（含MEMS）或天線，通過(guò)異質(zhì)鍵合或外延生長(zhǎng)等方式，在微納尺度集成實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的集成電路或系統(tǒng)。作為一種典型的異質(zhì)異構(gòu)集成方案，TSMC的SoIC技術(shù)是一種創(chuàng)新的多芯片堆疊技術(shù)，不再使用微凸點(diǎn)而是直接采用TSV將堆疊裸片垂直聯(lián)接，具有更高的集成密度和更短的互連。

芯粒技術(shù)示意圖

封裝天線示意圖

異質(zhì)異構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線

TSMC的SoIC技術(shù)及其ImMC應(yīng)用示意圖

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