中科院院士毛军发：未来60年是集成系统的时代

8月18日报道，今天，2022世界半导体大会暨南京国际半导体博览会在南京开幕中国科学院院士，深圳大学校长毛俊发在开幕式暨高端论坛上发表主旨演讲

毛俊发院士在简要回顾了集成电路的定义和发展历史以及中国落后的原因后，着重分享了集成系统的发展趋势和面临的挑战，以及应重点关注的四个关键科技问题。

毛俊发院士认为:过去的60年是集成电路的时代，未来的60年是集成系统的时代他提到，伴随着摩尔定律面临极限挑战，拐点临近，半导体技术将发展出一条从电路集成到系统集成的新路径，这为中国的发展提供了变道超车的历史机遇

一，EDA，设备，器件和电路落后的原因

集成电路是将晶体管，电阻，电容，电感等元件和互连制作在一个小的半导体晶片或介质基片上而形成的具有预期功能的电路。

所有元件在结构上集成，使电路向高密度，大规模，小型化，低功耗，低成本，高可靠性方向发展。

集成电路是一个国家综合科技实力乃至综合国力的体现是钱买不到的关键高科技赛道中国每年花费巨资进口IC，高端芯片基本依赖进口

回顾我国集成电路落后的原因，既有先进技术被西方封锁，也有之前一段时间的发展，产学研脱节。

说到具体细分领域，EDA落后的主要原因是R&D算法很多，但是比较分散，没有规划和集成，大型软件工程能力弱，经验少，用户不愿意使用国产软件工具，恶性循环。

半导体设备的落后主要受整体能力，市场环境等多种因素影响器件和电路落后的原因包括材料落后，工艺的精细度和稳定性不够，缺乏工匠精神和能工巧匠

目前我国集成电路急需大量高端人才。

二。未来60年将是集成系统的时代

目前集成电路产业的发展方向包括延续摩尔定律和绕过摩尔定律前者面临着物理原理的限制，技术手段的限制和经济成本的限制等挑战，而后者的主流趋势是小芯片，异构和集成系统等

毛俊发院士判断，过去的60年是集成电路的时代，而未来的60年将是集成系统的时代。

他说，集成电路只是手段，微电子系统才是目的集成从系统的角度来看，系统是以集成的方式设计和制造的各种芯片，传感器，组件，天线，互连等被制造并集成在基板上以形成具有预期功能的系统所有芯片和元件在结构上集成为一个整体，使得系统高密度，小型化，功能强大，低功耗，低成本，高可靠性，易于设计和制造

这种思想可以进一步提高系统的设计效率和综合性能，降低系统成本，增加其可靠性，降低对芯片设计和设备的要求。

实现从集成电路到集成系统的跨越，有三层含义是复杂微系统集成技术发展的新途径，是后摩尔时代集成电路发展的新方向，是半导体技术变道超车的新发展机遇

芯片或管芯技术是集成系统的一个特殊概念，它将一个单一的先进技术芯片分解成若干个有特色的模块，每个模块由自己最适合的技术实现小芯片技术与SoC的逆向思维:SoC将半导体ip平面集成到一个芯片中，而SoIC将多个小芯片集成在3D堆栈中

目前，集成电路的前端设计和加工与后端封装逐渐融合封装技术的重心正逐渐从传统的后端封装转向前端半导体代工

台湾领先的代工公司TSMC 3d fabric平台的SoIC采用最先进的封装互连技术混合键合，堆叠芯片之间的互连间距可以小到亚微米目前，TSMC已经用3DFabric完成了12层堆叠SoIC

如果TSMC推动的3DFabric，尤其是SoIC成为下一代芯片系统的主流技术，那么TSMC在半导体行业将更强，而中国大陆弱代工强封装的局面将在代工和封装方面变得落后。

集成系统的另一个例子是封装中的天线技术AiP是指在包含无线芯片的封装结构中实现的天线与普通分立式天线相比，AIP具有更好的系统性能，更小的PCB面积，更低的成本和更短的研发周期

第三个例子是多功能无源元件技术电子系统包含大量的无源元件，需要切换许多不同的功能元件和天线级联，这导致了额外的损耗和体积通过将各种部件组合成协同设计的多功能部件，可以显著减少系统所需的部件和开关的数量，降低插入损耗，并实现小型化

第三，集成系统面临四个关键的科学和技术问题。

异质半导体集成技术是集成系统最有力的技术手段，可以突破单一工艺的功能和性能限制，实现更强的复杂性能和优异的综合性能。

它是将化合物半导体高性能器件或芯片，硅基低成本高集成度器件或芯片与无源元件或天线在不同工艺节点集成，通过异质键合或外延生长实现集成电路或系统的技术。

在毛俊发院士看来，集成系统面临着四个关键技术问题。

首先是集成系统的架构，包括定义集成系统的功能和性能，分解结构以及各类芯片和元器件的确定，集成技术的选择，集成系统布局，互联方式和标准

二是自动化，智能化的协同设计，包括电磁—热应力多物理协同设计，有源/无源电路/天线与数字，模拟，射频电路的多功能协同设计，IP，IPD，PDK，小芯片的复用。

第三是异质界面生成和过程定量控制的机制综合工艺参数的调整受制于电，热，应力等多个物理场的特性由于晶格和膨胀系数的差异，需要建立异质界面动力学，了解扩散，成核和粘附机制，通过界面调控和整合实现高可靠性的异质集成

第四，无源元件和天线的小型化对整个射频集成系统非常重要无源元件可以占到RF电子系统元件总数的90%，以及整个系统面积的80%面积，工艺，芯片差别很大由于射频损耗，电磁兼容性和热问题，小型化和性能改进受到挑战有必要突破传统思维，提出新的工作机制和设计理论

结论:国内外都在加紧集成系统相关技术的研究。

毛俊发院士分享到，目前，集成系统的集成度和工作速度不断提高，同时面临多物理控制，多性能协调，多材料集成三大主要挑战。

集成系统的相关技术在国内外政策和产业中被视为重要的发展方向美国2018年推出的联合大学微电子计划和电子复兴计划都以异构集成为重点上海交大，中电集团，中科院，长电科技等产学研机构也在进行系统封装的研究此外，日本，韩国，新加坡等地都有研究异构融合的计划TSMC，英特尔，IBM，三星等国内外半导体厂商都在做3D封装集成研究

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