上周，在“第十九屆中國通信集成電路技術(shù)應(yīng)用研討會暨青島微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會（CCIC 2021）”期間，中國工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長吳漢明，針對“后摩爾時代的交叉學(xué)科如何與產(chǎn)業(yè)互動”這一話題做了深度報告。

　　吳漢明院士提到，自從去年國務(wù)院把集成電路作為一個交叉學(xué)科提出來，到今年已經(jīng)有一年多了，我一直在想交叉學(xué)科跟產(chǎn)業(yè)的互動關(guān)系。

　　所謂的后摩爾時代，就是根據(jù)1965年摩爾提出來的當(dāng)成本不變的情況下，性能和密度都要增加1倍。在這個基礎(chǔ)上，他說每年增加1倍，十年以后，他說每年增加1倍的話，根本就沒有賺錢的機會，十年以后，1975年就改成兩年一次新技術(shù)的誕生，這樣的話就可以可持續(xù)支持研發(fā)持續(xù)發(fā)展。到2005年，他說摩爾定律由于成本的問題恐怕很難走下去。后來他在兩個會議上提出，技術(shù)走到2025年，他覺得走不下去了。所以摩爾定律的發(fā)展經(jīng)過50、60年的歷程，走得相當(dāng)遠(yuǎn)了。

　　我們來看看現(xiàn)在把它定義為一個后摩爾時代，我個人覺得如果從摩爾當(dāng)時的定義，從這兩條曲線可以看到，紅色的是英特爾的，另外一條是臺積電的，我們可以看到從22納米一路走過來，走到當(dāng)今英特爾的10納米，與臺積電的7到5個納米，我們可以看出來，在一個平方毫米上的晶體管的數(shù)量達(dá)到1個億左右，如果走到7納米、5納米就可以到1.7個億每平方毫米，有1.7億的晶體管在里面。這說明什么問題呢？說明原來摩爾說的，每兩年晶體管的密度要翻一番，在這里顯然是做不到的，我們看到兩家龍頭企業(yè)做不到，所以基本上放棄每兩年晶體管密度加1倍的提法。所以我個人覺得，這是一個后摩爾時代的重要標(biāo)志。

　　另外一個標(biāo)志，就是制造成本，我們把臺積電的數(shù)據(jù)拿出來看看，我們可以看到在0.13微米到28納米這個區(qū)間，成本的下降是非常厲害的，基本上可以跟隨摩爾定律的節(jié)奏。但是降到28納米以后，進入20納米節(jié)點的時候，我們可以看到制造成本的下降就非常艱難了，完全做不到成本下降了，質(zhì)量不變。所以我覺得這兩個應(yīng)該是后摩爾時代的特征。

　　后摩爾時代的挑戰(zhàn)和機遇是什么呢？我跟大家分享一下，下面是一張網(wǎng)上下載的圖，從這張圖我們可以看到集成電路的性能提升，從1978年X軸的最左邊一直延伸到，這個數(shù)據(jù)是2018年，我們可以看到在2002年以前，晶體管、集成電路的性能每年提升52%，后來每年可以提升23%，到2010年以后，每年提升12%，但是到2014年以后，我們的性能提升就只有3.5%，所以每年的性能提升已經(jīng)達(dá)到一個飽和的狀態(tài)，再也不能像以前這樣性能提升1倍，就很難持續(xù)下去。這是從技術(shù)層面來看它應(yīng)該也是一個后摩爾時代的標(biāo)志。

　　那么在后摩爾時代帶來一些挑戰(zhàn)，有它的一些特點，大家比較看好的技術(shù)會走得比較泛寬一點，我個人覺得是叫泛摩爾定律，在后摩爾時代要走的技術(shù)基本上呈現(xiàn)了一下幾個特點：

　　1、技術(shù)方向很不清楚，各走各有的途徑，八仙過海，各顯神通；

　　2、大家放棄了對一個特征線條單一參數(shù)的追求，不用去追求一個單一的特征；

　　3、應(yīng)用場景更寬，因為從現(xiàn)在無論是大數(shù)據(jù)、5G通訊等等，它的應(yīng)用是上天入地，日常生活不所不在；

　　4、市場碎片化，沒有一個明顯的壟斷，比如說我們來一個可穿戴的產(chǎn)品，比如智能手表，就很難說哪個是最壟斷的，沒有，因為各有各的特點，各有各的功能，各有各的需求；

　　5、研發(fā)經(jīng)費相對來說低廉，因為你如果不去追求單一特征尺寸的話，不會動輒幾個億，多則幾十個億的美金要投進去，不是這樣的，因為后摩爾時代一些小眾的產(chǎn)品在市場上挺有生存空間的。

　　機遇就是：

　　1、既然技術(shù)發(fā)展方向不那么明確，創(chuàng)新的空間很大；

　　2、設(shè)備和其他條件沒有那么苛刻。

　　3、市場空間很大；

　　4、對中小企業(yè)的成長很有利；

　　5、產(chǎn)品研發(fā)起來比較容易啟動。

　　下面這張圖是后摩爾時代國內(nèi)一家龍頭企業(yè)的財報，我們可以看出來，它整個收入的支撐點還是在55納米為基礎(chǔ)的，真正在高端上的支撐點還是非常小的比例。也就是說一些相對成熟的工藝，它的占比大概是80%，也就是說我們做一些相對成熟的工藝，其實有很大的市場和創(chuàng)新空間。

　　在整個制造中間，我自己本人也是最近兩年才到教育系統(tǒng)，到浙江大學(xué)從事教育工作，我前面的時間都是在企業(yè)里或者在研究所，從事一些研究、技術(shù)開發(fā)工作。到大學(xué)以后，我就把浙江大學(xué)的微電子學(xué)院的講義和教材翻出來看了一下，其實這個講義和教材，北大、清華一些微電子的教材都是大同小異，差不多都是這個樣子，反正有幾十門課。但是你仔細(xì)一看，里面的教材90%以上都是講設(shè)計的。剛才少軍介紹說我們國家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展最短的短板還是在制造上，但是從我們國家教育系統(tǒng)來看，也就是不到10%的教材是在講制造方面的事情，基本上我們的微電子學(xué)院都是講設(shè)計，講制造非常少。

　　但實際上這個短板里面的核心是什么？就是集成電路的工藝，就是要把這個晶體管做到硅里面去，下面這張示意圖的最下層是由成千上萬個晶體管，通過各種各樣的導(dǎo)體，把它連出來，再通過很長的銅線把晶體管連接起來，就形成了這樣一個集成電路芯片的基本結(jié)構(gòu)。

　　在制造過程中間，流程非常長。舉個例子，如果做28納米的制造，它的工藝流程非常長，整個流程大概有1000多步，其中最復(fù)雜的、最具挑戰(zhàn)的大概是前段工藝，它的工藝流程大概有一半是前段工藝的一些技術(shù)。我們可以看到，所謂的前端工藝就是要把晶體管做出來。晶體管做完以后，我們就要把這些晶體管連接起來，形成所謂的后段工藝，就是把晶體管連接的工藝，從130納米以后這個連接技術(shù)就是由銅來連接，而不是由鋁。在連接里面，雖然它的花樣，它的種類沒有那么多，基本上就是薄膜、光刻來回做，因為取決于銅有多少層的固定層，通常現(xiàn)在的都是10多層，就反復(fù)做。所以整個來看，后段的工藝所涉及到的學(xué)科基本上以材料科學(xué)為主，前段工藝在晶體管制作中間實際上就是固體物理的東西，這兩段對于學(xué)科的要求是不一樣的。

　　剛才很長的工藝流程中間，我們拿出來三個工藝模塊，我們可以看到，做圖形的那一部分，就是光刻和刻蝕上面，我們所涉及到它的物理學(xué)，包括里面的光學(xué)、等離子體、表面物理等等，還涉及到數(shù)學(xué)、化學(xué)、材料、精細(xì)化工等等很多學(xué)科都會卷進來。做薄膜工藝的時候所涉及到的也有很多學(xué)科，包括摩擦學(xué)都會進來，因為在CNP里頭有相當(dāng)多摩擦學(xué)的基本概念在里頭。像阱的制備，加速器物理等等都會涉及進來。所以整個交叉學(xué)科在工藝?yán)锩娴捏w現(xiàn)是非常明顯的，集中體現(xiàn)了交叉學(xué)科的體征。

　　從這里我要強調(diào)一下，我們做芯片制造，其實最大的特點就是要有成套工藝，而不是某一段工藝，剛才我說的1000步工藝，并不是說其中幾步工藝，所以我覺得成套工藝是我們芯片制造的核心的核心，也是我們產(chǎn)業(yè)水平的標(biāo)準(zhǔn)。所謂成套工藝就是我們首先要工藝流程設(shè)計，關(guān)鍵的工藝設(shè)備的驗證，關(guān)鍵工藝模塊的開發(fā)，最后把模塊里面的工藝參數(shù)的優(yōu)化，優(yōu)化以后最重要的一步把它成套集成起來，就形成一個天衣無縫的組合，就做成一個我們需要的芯片。

　　整個這個流程過程中間，我們可以看到，像產(chǎn)業(yè)里面的一些終極目標(biāo)就是它的良率提升，不管你是新企業(yè)、老企業(yè)、大企業(yè)、小企業(yè)永恒的目標(biāo)和挑戰(zhàn)，就是良率提升技術(shù)，這就相當(dāng)于一個產(chǎn)業(yè)的共性技術(shù)。

　　下面是我前幾天畫的一張圖，我想表明這樣一個意思，我們在集成電路芯片制造里面有很多學(xué)科，從數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、化工、計算機等等很多學(xué)科，但是這些零零散散分布在理工科高校里面的這么多學(xué)科，只有通過一個成套工藝的集成這么一個載體，才能把它形成一個產(chǎn)品，產(chǎn)生它的價值。正是通過成套工藝，我們形成產(chǎn)品的過程中可以關(guān)注一些產(chǎn)業(yè)的共性技術(shù)，比如工藝集成的優(yōu)化、良率提升，包括現(xiàn)在想做的虛擬制造等等，像這些工藝技術(shù)缺少了成套工藝是沒有結(jié)果的。

　　所以，現(xiàn)在我們看到國內(nèi)有很多平臺，都說對產(chǎn)業(yè)的共性技術(shù)進行研究，但是個人覺得，脫離了成套工藝，對產(chǎn)業(yè)技術(shù)所謂的共性研究是很難的，必須依托成套工藝，才能在制造的共性技術(shù)上有所支撐。

　　我舉個例子，作為交叉學(xué)科，我們在用等離子體物理的基本概念用一些刻蝕的，比如我剛才提到的，我們需要用銅，銅不能刻蝕，它是非揮發(fā)性的，是惰性非常好的材料，一般的刻蝕沒法驚醒。于是我們想起我們老祖宗景泰藍(lán)的辦法，在陶瓷上拉個圖形出來，把銅嵌入進去，最后用沙皮打一打，就是我們景泰藍(lán)，我們有上千年的歷史，很遺憾那個時候我們沒有形成專利。IBM大概在30年前，把制造銅，只能是在介質(zhì)里面，挖了溝以后，把銅填進去。在這個體系里面，我舉個例子，比如說我們等離子體物理的基本概念怎么用起來呢？我們看在銅的連接線里面，我們通常會打個通孔，把通孔的BUG填進去，最后把溝槽蝕刻，最后再把銅填進去，通過這樣的流程把后面的銅通點做出來。

　　在整個流程中間，我們通過等離子體的刻蝕，把這個通孔做出來的時候，就需要通孔在刻蝕的過程中，在底部形成的曲面是凸形的，而不是凹形的，這樣的話可以提升良率。于是我們希望等離子刻蝕的時候，希望這個離子進入通孔以后是發(fā)散的，使得離子軌道發(fā)生變化了，只能增加表面電荷。我們通過一些等離子體物理的特征，把它表面電荷增強以后，形成了右下角的圖形刻蝕的剖面。這個技術(shù)土地通過有物理背景，通過等離子物理的運用，于是我們想到等離子可以控制地層的剖面，控制剖面的時候，現(xiàn)在最流行的我們知道雙曝光，在這個過程中是不是可以利用等離子體對刻蝕表面控制的特征，目前形成這個過程的途徑很多，我們覺得也許通過等離子物理的基本概念運用，可以得到這個過程。

　　舉這個例子，就是給大家演示，一些學(xué)科在成套工藝流程中間，有很多發(fā)明點，很多創(chuàng)新點。

　　既然整個工藝流程那么復(fù)雜，通過一個企業(yè)或者一個單位來做是不現(xiàn)實的，所以我們必須通過國內(nèi)頂尖的企業(yè)，頂尖的高校，頂尖的研究所，我們一起來做這個集成電路產(chǎn)學(xué)研三位一體的發(fā)展，就是產(chǎn)學(xué)研。比如說必須要加強集成電路產(chǎn)業(yè)和科研的關(guān)系，以及科研和教學(xué)的關(guān)系，教學(xué)和集成電路產(chǎn)業(yè)的關(guān)系。因為這個產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)了三大特點，第一個是產(chǎn)業(yè)鏈特別長，不是某一個專業(yè)可以涵蓋的；第二個，從教學(xué)上來看，因為它的學(xué)科太交叉，不是一個系、一個學(xué)院搞得定的，通常是一個理工科大學(xué)里面很多行業(yè)都可以卷進去；第三個，科研特點，它的領(lǐng)域特別寬，產(chǎn)業(yè)化的難度非常大，盡管我們看到很多核心技術(shù)突破，真正對產(chǎn)業(yè)支撐的少之又少。

　　既然這么難做？我們產(chǎn)學(xué)研的合作，尤其是譬如科研跟產(chǎn)業(yè)的合作這一塊有個共同區(qū)，教學(xué)跟產(chǎn)業(yè)的合作、科研跟教學(xué)的合作，都要加強起來。核心就是產(chǎn)學(xué)研中間有個三角區(qū)，就是產(chǎn)業(yè)和科研、教學(xué)的公共區(qū)域，我們需要增強，因為在這個區(qū)域里面才能對三個方面都是可以出得上力，可以對產(chǎn)業(yè)有所貢獻。

　　在這個思路下，我們在浙江大學(xué)做了一條生產(chǎn)線，一定要做成套工藝的公共平臺，因為缺少了成套工藝，做產(chǎn)業(yè)的共性技術(shù)研發(fā)，我覺得是不可思議的，是很難的。在這個平臺上，我們定位為一個12寸55納米的試驗線，這條線上最大的特點是設(shè)計制造一體化，因為原來浙江大學(xué)的設(shè)計能力還是比較強的，也對國家的產(chǎn)業(yè)做了很多貢獻，我們把制造跟設(shè)計一體化，融為一體，對我們的產(chǎn)業(yè)可以做很多共性技術(shù)的研究。

　　另外，我們可以做個新工科學(xué)院的建設(shè)，讓學(xué)生和老師有一個產(chǎn)教融合的平臺，有個實習(xí)場景，我們可以想像，我在想，如果我們?nèi)珖募呻娐穼I(yè)學(xué)生、微電子的專業(yè)學(xué)生，大概現(xiàn)在是8、9千人，如果有機會把每個學(xué)生畢業(yè)之前能夠到這個平臺上，從設(shè)計制造走一下，我覺得對我們的學(xué)生培養(yǎng)一定是非常有好處的。所以我想這個新工科的建設(shè)，一定有它很好的前景。

　　另外，因為這是一條很小的線，它可以對我們的新產(chǎn)品、新材料、新裝備提供一個試驗的場所，因為你做一個新的材料、新的裝備，脫離了成套工藝的支撐，你這個新的東西怎么才能用起來呢？所以這對國家產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展一定有很大支撐作用的。

　　其實我今天講的核心，我總覺得我們國家的集成電路對產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)上還要大大加強，我們老是說我們的國家集成電路起點低，發(fā)展晚，其實不對，我們發(fā)展得很早，我們中國的第一塊硅單晶1958就做出來了，第一塊硅集成電路誕生是1965年，當(dāng)時跟世界的差距也不大。但是隨著產(chǎn)能到1000萬塊，1億塊，或者6億塊，到最后我們跟世界產(chǎn)業(yè)的先進技術(shù)水平差距就差了將近20年。所以就是產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)，在我們整個集成電路領(lǐng)域里面，我覺得是不夠。所以我始終認(rèn)為，我們做研究只是手段，目的就是產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)在的王道就是產(chǎn)能，這其實是關(guān)聯(lián)的。

　　我剛才說，我們的產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)做得不是很夠，我們的產(chǎn)能提升這個王道沒有抓住，導(dǎo)致的后果就是最近7年，《集成電路產(chǎn)業(yè)推進綱要》頒布有7年了，這7年以來，國內(nèi)的芯片市場上的國產(chǎn)化率反而更小了，進口率反而變大了，這個數(shù)據(jù)我看到以后，心里就覺得很別扭，我們推進綱要出來7年了，但是芯片的國產(chǎn)化率沒有上來，我總覺得是對“科研是手段，產(chǎn)業(yè)是目的，產(chǎn)能是王道”理解不夠。

　　從產(chǎn)能來看，美國的產(chǎn)能近幾年來一直在下降，歐洲也是在下降，日本基本上是維持，韓國和我們的臺灣地區(qū)，產(chǎn)能在最近上升得很快，但是到2020年以后，預(yù)測產(chǎn)能提升不會那么快，就是我們中國的產(chǎn)能提升必須要加強。在我們先進技術(shù)還沒有達(dá)到頂尖水平的時候，產(chǎn)能是不能放棄的。所以我覺得產(chǎn)能為王，大家現(xiàn)在已經(jīng)看到這個結(jié)果了，對我們國家的影響真是非常大。所以現(xiàn)在說集成電路發(fā)展過熱之類的，這個說法也未必正確，過熱是因為爛尾樓的工程顯得很過熱，其實你要選到好的產(chǎn)品和方向，我們集成電路的需求是很大的，完全可以大大發(fā)展，核心就是說我們要尋找合適的方向，找到自己能做的事情嵌入進去。

　　總之，我國的集成電路芯片發(fā)展是非常艱辛的，后摩爾時代發(fā)展節(jié)奏下來了，給我們追趕者一個機會。我要強調(diào)的就是芯片的成套工藝是提供交叉學(xué)科發(fā)展的舞臺，只有通過這個舞臺，交叉學(xué)科才能體現(xiàn)它的價值。所以在產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)方面，我覺得政府的各有關(guān)部門真的要重視，其實產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)比科學(xué)引領(lǐng)更重要。回顧集成電路發(fā)展60年的歷史，我們的科學(xué)技術(shù)在50年代也是蠻可以的，但是產(chǎn)業(yè)沒有跟上去。