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中国集成电路与光电芯片技术的9大发展的新趋势及2035发展战略

时间: 2023-12-29 13:06:07 |   作者: 尾气分析仪

集成电路工业水平和规模是一个国家综合国力的标志,也是大国战略竞争的制高点。目前我国集成电路与光电

产品特性

  集成电路工业水平和规模是一个国家综合国力的标志,也是大国战略竞争的制高点。目前我国集成电路与光电芯片产业从材料、设备、工艺到设计的电子设计自动化(electronic design automation,EDA)工具都面临诸多问题,不能完全支撑国民经济、社会持续健康发展、国家信息安全,以及国防装备的快速发展。

  进入后摩尔时代,虽然硅集成电路制造技术在器件特征尺寸上按比例缩小的进度变缓或终将停止,但是通过新技术的引入,集成电路算力仍将持续提升,继续推动整个信息产业的发展。集成电路相关的关键技术仍然是信息领域最核心的技术,并可能会产生更多新的难题。光电芯片向着超高速、集成化与智能化方向发展,以支撑小尺寸、高速率、低功耗、集成化和智能化信息技术的发展。集成电路与光电芯片技术的发展将会带来更多的挑战,未来发展呈现如下趋势。

  当前集成电路技术已进入后摩尔时代,如何通过集成电路设计、新型材料和器件的颠覆性创新使芯片的算力按照摩尔定律的速度提升,是后摩尔时代的一个主要技术趋势;自旋、多铁、磁等技术将引起存储芯片的技术变革。

  芯片算力正从通用算力向专用算力演化,体系结构的创新正逐渐从通用的优化到专用的创新转变,通过发展满足专用应用场景下的芯片技术(如接近零功耗的电路设计、近似计算、可重构计算、模拟计算、异构计算等),实现算力的大幅提升。

  EDA 正面临重要变革机遇,集成电路制程进入纳米尺寸(小于5 nm)时会产生量子效应,整个晶体管需要用量子力学(如密度泛函、离散傅里叶变换)方法来描述。EDA 的有突出贡献的公司新思科技已经提前布局了量子力学工具;同时,芯片设计方法学从传统强调设计质量但设计周期长,变革到重视敏捷性和易用性,通过半年甚至更短的时间完成一个成熟芯片的迭代,以及AI和EDA 算法的结合,将可能大幅度减少人工参与而实现自动生成。

  量子芯片、类脑智能芯片将引起巨大的技术变革,利用集成电路加工技术实现对量子信息的操控,进而实现具有量子信息处理功能的芯片;构造类生物神经网络的半导体器件,制造类脑神经网络结构和信息表达处理机制的芯片和系统,实现类脑感知与认知,是通往通用AI的一条重要可行路线,是连通信息科学、脑科学、数理科学的枢纽。

  跨维度异质异构集成和封装技术将实现量子芯片、类脑芯片、3D 存储芯片、多核分布式存算芯片、光电芯片、微波功率芯片等与通用计算芯片的巨集成,完全解决通用和专用芯片技术向前发展的功耗瓶颈、算力瓶颈并实现其功能拓展。

  面向低功耗、小尺寸、IoT/5G/6G 的需求,发展光电子与微电子融合及混合集成技术;突破集成光电子的物理与材料局限的异质异构光电子集成和3D 集成技术,发挥光电子与微电子技术各自的优势,提升光电芯片的性能,增强光电子- 微电子集成器件的信息感知和信息处理能力。

  发展智能光子信号处理技术,在光域实现超宽带、超高速与智能化信号处理技术,包括可编程光子集成芯片、传输与运算相融合的处理芯片、光神经网络芯片等技术。

  发展全频谱阵列集成技术,满足复杂业务和通信带宽需求,频谱涵盖微波到红外乃至太赫兹的范围。

  发展柔性光电子技术,将光电子器件制作在柔性/ 可延展基板上,满足更多新型应用的需求,如柔性光显示、增强现实/ 虚拟现实(augmented reality/virtual reality,AR/VR)与光感知等。

  在“十五”到“十三五”期间,我国通过国家高技术探讨研究发展计划(简称863 计划)、国家重点基础研究发展计划(简称973 计划)、国家重点研发计划、国家重大科学技术专项、国家自然科学基金等科技项目在集成电路与光电子技术探讨研究方面逐步加大了投入:一是基础研究水平突飞猛进,一批有自主知识产权的新材料、新器件、新结构成果和关键技术处于国际领头羊;二是制造工艺取得长足进步,以中芯国际、长江存储、弘芯半导体等为代表的制造企业具备了较强的芯片加工能力和研发能力;三是以华为、紫光、寒武纪、海光、龙芯等为代表的芯片设计企业开始在世界市场上掌握一定的话语权;四是通过引进和培养,建立了一支有着非常丰富经验和开拓创新精神的微电子与光电子研究队伍。我国集成电路与光电子技术和产业经过卧薪尝胆,从基础研究到大规模制造,从产业规模到人才规模已经初步具备了国际竞争能力。

  体现国家意志和新型制,持续加大集成电路芯片与光电芯片领域的科学技术创新投入;

  [“ 中国学科及前沿领域发展的策略研究(2021—2035)”项目组编. 北京:科学出版社,2023.6]的布局安排是在国家自然科学基金委员会信息科学部和中国科学院信息技术科学部组织专家多次调研和研讨后形成的,同时充分参考了国家科技领域的发展规划与发展战略。

  本书针对当下集成电路与光电芯片产业的关键技术和难题,聚焦器件工艺、存储、设计、自动化、异质集成、先进封测等核心领域,研究其发展规律和趋势,并探讨实现创新突破的方向和策略。此外,在突破现有存储计算瓶颈的新器件和新架构领域,本书将从AI芯片技术、碳基芯片技术、(超)宽禁带材料和芯片技术,以及量子计算器件和芯片技术等方面,分析大数据和物联网(internet of things,IoT)时代下,信息技术产业新兴方向的发展的新趋势和可行性技术路线。在和集成电路应用紧密结合的光电融合领域,本书将从柔性光电子、混合光电子、硅基光电子、微波光电子,以及智能光电子的芯片集成及光电融合等多个角度,分析光电技术面向新信息化场景下的前沿发展动向。

  面向未来芯片应用发展多元化和专用化趋势,在后摩尔时代,集成电路芯片技术将通过器件、工艺和架构的协同优化创新,逐渐从传统的冯·诺依曼范式向高算力、高密度、低成本、低功耗、多功能集成的新型芯片方向发展。此外,由于光电子集成芯片在光域强大的调控能力和集成潜力,在未来的应用中,实现数据高速传输和处理的光电子集成芯片也将是集成电路的一个重要发展趋势。本书围绕上述集成电路与光电芯片相关方向展开研究和探讨,并为我国集成电路发展实现科学技术创新引领和产业自立自强提供战略性参考和发展建议。

  本文摘编自《中国集成电路与光电芯片2035发展的策略》[“ 中国学科及前沿领域发展的策略研究(2021—2035)”项目组编. 北京:科学出版社,2023.6]一书“绪论”“摘要”,有删减修改,标题为编者所加。

  当前和今后一段时期将是我国集成电路与光电芯片技术发展的重要战略机遇期和攻坚期,加强自主集成电路与光电芯片技术的研发工作,布局和突破关键技术并拥有自主知识产权,实现集成电路产业的高水平质量的发展是我国当前的重大战略需求。《中国集成电路与光电芯片2035 发展的策略》面向2035 年探讨了国际集成电路与光电芯片前沿发展的新趋势和中国从芯片大国走向芯片强国的可持续发展策略,围绕上述相关方向开展研究和探讨,并为我国在未来集成电路与光电芯片发展中实现科技与产业自立自强,在国际上发挥更重要作用提供战略性的参考和指导意见。

  本书为相关领域战略与管理专家、科技工作人员、企业研发人员及高校师生提供了研究指引,为科研管理部门提供了决策参考,也是社会公众了解集成电路与光电芯片发展现状及趋势的重要读本。


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