2022-06-27
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，“大智移云”（大數(shù)據(jù)、智能化、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算）時(shí)代的來(lái)臨，無(wú)人駕駛與智能機(jī)器人的興起，以及空天地一體化信息整合步伐的加快，光電技術(shù)已經(jīng)覆蓋信息產(chǎn)生、獲取、傳輸、交換與處理等各個(gè)環(huán)節(jié)，并通過(guò)深度融合產(chǎn)生各種新的應(yīng)用領(lǐng)域，呈現(xiàn)“井噴式”的發(fā)展態(tài)勢(shì)。
未來(lái)數(shù)據(jù)中心面臨的最大挑戰(zhàn)之一是大量的數(shù)據(jù)需要被存儲(chǔ)、傳輸和處理。此外，隨著多核處理器、內(nèi)存需求和輸入/輸出（I/O）帶寬需求的持續(xù)增加導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)擁塞和連接瓶頸。隨著帶寬的增加，功耗也急劇增加，數(shù)量傳輸數(shù)據(jù)所需的能量限制系統(tǒng)性能。作為下一代互連技術(shù)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者，光互連具有寬頻帶、抗電磁干擾、強(qiáng)保密性、低傳輸損耗、小功耗等明顯優(yōu)于電互連的特點(diǎn)，是一種極具潛力的電互連替代或補(bǔ)充方案。同時(shí)可以充分利用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，尤其是通過(guò)加持硅光（SiPh）集成芯片技術(shù)來(lái)發(fā)揮光互連帶寬優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高速、海量信息傳輸。
目前，集成電路沿著摩爾定律發(fā)展已趨于極限，硅基光電子集成技術(shù)利用成熟的微電子互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝設(shè)備，在絕緣體上硅（SOI）上制造用于光通信、光互連和光信號(hào)處理的光電子器件和芯片，可實(shí)現(xiàn)低成本、批量化生產(chǎn)。硅光集成產(chǎn)品將集成光學(xué)器件與電子元器件組合至一個(gè)獨(dú)立的微芯片之中，其核心是‘以光代電’、光電融合，用激光束代替電子信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，以提升路由器和交換機(jī)線卡/板卡之間芯片與芯片之間的連接速度，可以滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)更低成本、更高集成度、更多嵌入式功能、更高互連密度、更低功耗和更高可靠性的發(fā)展需求，具有高集成度、超高速率、超低功耗優(yōu)勢(shì)，在光纖到戶、數(shù)據(jù)通信、5G無(wú)線、激光雷達(dá)、量子通信等超高速、大容量通信及應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間。
雖然近年來(lái)硅光子市場(chǎng)前景看好，但在材料、工藝和設(shè)計(jì)上依然面臨一系列挑戰(zhàn)。按照硅光集成使用的材料體系分類，光電集成可以分類為單片同質(zhì)集成與異質(zhì)集成。在單片同質(zhì)集成方面，例如基于硅基材料構(gòu)建光電集成芯片、基于磷化銦材料的濾波器集成等。而且，異質(zhì)集成能夠發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢(shì)，提升各功能器件的性能。根據(jù)是否進(jìn)行異質(zhì)材料生長(zhǎng)，異質(zhì)集成可分為單片異質(zhì)集成與混合異質(zhì)集成。通過(guò)外延生長(zhǎng)在硅基襯底上可以制備大規(guī)模集成的單片III-V族-硅基激光器，以及單片III-V族-硅基量子點(diǎn)激光器陣列?；旌霞傻膬?yōu)勢(shì)在于避免了不同材料間的晶格失配，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但是集成度較低。其關(guān)鍵工藝技術(shù)是利用光子引線鍵合技術(shù)、分子晶圓鍵合技術(shù)、硅通孔技術(shù)進(jìn)行光互聯(lián)與電互聯(lián)實(shí)現(xiàn)光電混合集成。
對(duì)于單片同質(zhì)集成，較為成熟的材料體系為硅基材料和磷化銦材料。其中，硅基材料難以集成光源等有源器件，磷化銦材料成本較高，難以大規(guī)模集成?；旌袭愘|(zhì)集成主要面臨的是實(shí)現(xiàn)高效光耦合與電路-光路接口的封裝問(wèn)題和由驅(qū)動(dòng)電路帶來(lái)的散熱問(wèn)題。單片異質(zhì)集成是實(shí)現(xiàn)光電一體的大規(guī)模集成的關(guān)鍵技術(shù)途徑，其避免了混合集成帶來(lái)的封裝問(wèn)題；但單片異質(zhì)集成目前有3個(gè)問(wèn)題：多材料的兼容問(wèn)題、由集成度提高帶來(lái)的光路-電路的檢測(cè)問(wèn)題，以及芯片的散熱問(wèn)題。
2019年全球半導(dǎo)體芯片市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)4000億美元，其中光電子器件規(guī)模超過(guò)400億美元。光電子芯片是近兩年來(lái)增速最快的領(lǐng)域，年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)30%，光芯片投資是當(dāng)下半導(dǎo)體投資的“大風(fēng)口”！
為什么說(shuō)硅光芯片是5G與數(shù)據(jù)中心兩大“新基建”的“超級(jí)金礦”？
為什么說(shuō)硅光芯片無(wú)需7nm制程就可以繼續(xù)延續(xù)“摩爾定律”傳奇？
什么是硅光集成技術(shù)？硅光芯片產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)？技術(shù)創(chuàng)新方向是什么？硅光芯片的投資熱點(diǎn)在哪兒？
硅光芯片的Chiplet、FO-WLP、SoC/SiP、COP、2.5D、3D、MEMs、SOI、TSV等先進(jìn)集成封裝技術(shù)的原理是什么？
硅光芯片如何基于Chiplet、FO-WLP、SoC/SiP、COP、2.5D、3D等先進(jìn)封裝及高級(jí)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)More Moore、Moore than Moore和Beyond COMS，以突破和超越“摩爾定律”的瓶頸限制?
過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)，半導(dǎo)體行業(yè)一直遵循著摩爾定律的軌跡高速發(fā)展，但近年來(lái)，隨著制程不斷向前演進(jìn)，技術(shù)升級(jí)的空間變小，成本的極具增加，單純依靠提升工藝來(lái)提升芯片性能的方法已經(jīng)無(wú)法充分滿足時(shí)代的需求，摩爾定律顯得“力不從心”，半導(dǎo)體行業(yè)逐步進(jìn)入后摩爾時(shí)代。
摩爾定律雖然放緩，科技進(jìn)步的速度變得難以預(yù)測(cè)，但集成電路依然不可替代，關(guān)注后摩爾時(shí)代潛在顛覆性技術(shù)，有幾方面意義。
一是有觀點(diǎn)認(rèn)為這樣的顛覆式技術(shù)能夠?yàn)椤澳柖伞崩m(xù)命，保持集成電路繼續(xù)向前快速發(fā)展，讓科技進(jìn)步重新找回“節(jié)奏感”。當(dāng)前，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新密集而活躍，提前對(duì)這些潛在技術(shù)進(jìn)行布局，無(wú)論是對(duì)企業(yè)還是對(duì)產(chǎn)業(yè)而言，有助于在變革時(shí)代掌握主動(dòng)權(quán)。
二是中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，近年來(lái)已經(jīng)在許多關(guān)鍵技術(shù)方面獲得突破。但同時(shí)應(yīng)該看到，以美國(guó)為首的西方國(guó)家，始終對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行打壓，這種情況在一直以來(lái)的《瓦森納條約》中對(duì)于光刻機(jī)的管制，對(duì)于大硅片技術(shù)的限制，近年來(lái)對(duì)于中興、華為、晉華等中國(guó)企業(yè)的制裁上體現(xiàn)得更為明顯。
“后摩爾時(shí)代”的來(lái)臨，既是對(duì)整個(gè)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的挑戰(zhàn)，但也可以說(shuō)是一種機(jī)遇，如果能夠加強(qiáng)“后摩爾時(shí)代”集成電路潛在顛覆性技術(shù)的研發(fā)和提前布局，則能夠抓住“彎道超車”的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突圍?！摆吘彽哪柖山o追趕者機(jī)會(huì)?！苯?，中國(guó)工程院院士吳漢明在“先進(jìn)集成電路技術(shù)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新”論壇上發(fā)言時(shí)指出。
三是如今美國(guó)、韓國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家和地區(qū)都開始在半導(dǎo)體領(lǐng)域進(jìn)行巨額投入，這其中就包括潛在顛覆性技術(shù)。今年恰逢“十四五”的開局之年，“02專項(xiàng)”也在去年結(jié)束，因此，無(wú)論是對(duì)國(guó)家自身的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，還是考慮到未來(lái)國(guó)家間的高科技領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)于“后摩爾時(shí)代”潛在的顛覆性技術(shù)進(jìn)行提前布局十分必要。
綜合目前的行業(yè)看法，后摩爾時(shí)代的創(chuàng)新與潛在的“顛覆性技術(shù)”包含四方面內(nèi)容：特色工藝、新材料、新架構(gòu)、先進(jìn)封裝，目前在這些領(lǐng)域中國(guó)都有潛在能夠獲得突破的機(jī)會(huì)。
新材料
圍繞新材料和新架構(gòu)的顛覆性技術(shù)將成為“后摩爾時(shí)代”集成電路產(chǎn)業(yè)的主要選擇。
目前，九成半導(dǎo)體器件由硅制造，硅材料具有集成度高、穩(wěn)定性好、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但在后摩爾時(shí)代，除了更高集成度的發(fā)展方向之外，通過(guò)不同材料在集成電路上實(shí)現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的性能是發(fā)展方向之一。此外，以RISC-V 為代表的開放指令集將取代傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)模式，更高效應(yīng)對(duì)快速迭代、定制化與碎片化的芯片需求。
在新材料方面，通過(guò)全新物理機(jī)制實(shí)現(xiàn)全新的邏輯、存儲(chǔ)及互聯(lián)概念和器件，推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的革新。例如，拓?fù)浣^緣體、二維超導(dǎo)材料等能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)損耗的電子和自旋輸運(yùn)，可以成為全新的高性能邏輯和互聯(lián)器件的基礎(chǔ)；新型磁性材料和新型阻變材料能夠帶來(lái)高性能磁性存儲(chǔ)器如MRAM和阻變存儲(chǔ)器，三代化合物半導(dǎo)體材料、絕緣材料、高分子材料等基礎(chǔ)材料的技術(shù)也在孕育突破。
同時(shí)，隨著5G、新能源汽車等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)高頻、高功率、高壓的半導(dǎo)體需求，硅基半導(dǎo)體由于材料特性難以完全滿足，以GaAs、GaN、SiC 為代表的第二代和第三代半導(dǎo)體迎來(lái)發(fā)展契機(jī)。
新架構(gòu)
在新架構(gòu)方面，以RISC-V為代表的開放指令集及其相應(yīng)的開源SoC芯片設(shè)計(jì)、高級(jí)抽象硬件描述語(yǔ)言和基于IP的模板化芯片設(shè)計(jì)方法，將取代傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)模式，更高效應(yīng)對(duì)快速迭代、定制化與碎片化的芯片需求。類似腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)的存內(nèi)計(jì)算架構(gòu)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和計(jì)算單元融合為一體，能顯著減少數(shù)據(jù)搬運(yùn)，極大地提高計(jì)算并行度和能效。計(jì)算存儲(chǔ)一體化在硬件架構(gòu)方面的革新，將突破AI算力瓶頸。
異構(gòu)集成與先進(jìn)封裝
隨著先進(jìn)制程的不斷向前演進(jìn)，芯片制造工藝正變得復(fù)雜而且昂貴。在應(yīng)用多元化的今天，要求更加靈活和多樣的集成方式，這需要從以前的二維平面向三維立體進(jìn)行拓展，將不同功能的芯片和元器件整合封裝，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成。
基于Chiplet（芯粒）的模塊化設(shè)計(jì)方法將實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成，被認(rèn)為是增強(qiáng)功能及降低成本的可行方法，有望成為延續(xù)摩爾定律的新路徑。Chiplet模式能滿足現(xiàn)今高效能運(yùn)算處理器的需求，具備設(shè)計(jì)彈性、成本節(jié)省、加速上市三大優(yōu)勢(shì)。
異構(gòu)集成的關(guān)鍵在于掌握先進(jìn)封裝技術(shù)，具有降低芯片設(shè)計(jì)難度、制造便捷快速和降低成本等優(yōu)勢(shì)。SiP 等先進(jìn)封裝技術(shù)是Chiplet 模式的重要實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，Chiplet模式的興起有望驅(qū)動(dòng)先進(jìn)封裝市場(chǎng)快速發(fā)展。
先進(jìn)封裝之所以能夠成為持續(xù)優(yōu)化芯片性能和成本的關(guān)鍵創(chuàng)新路徑，主要在于以下兩點(diǎn)：
一是小型化：通過(guò)單個(gè)封裝體內(nèi)多次堆疊，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)容量的倍增，進(jìn)而提高芯片面積與封裝面積的比值。
二是高集成：以系統(tǒng)級(jí)封裝SiP實(shí)現(xiàn)數(shù)字和非數(shù)字功能、硅和非硅材料和器件、CMOS和非CMOS電路等光電、MEMS、生物芯片等集成在一個(gè)封裝內(nèi)，完成子系統(tǒng)或系統(tǒng)。
得益于對(duì)更高集成度的廣泛需求，以及5G、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和高性能計(jì)算HPC等大趨勢(shì)的推動(dòng)，業(yè)界需要依靠先進(jìn)封裝來(lái)對(duì)沖芯片制造端的阻力，先進(jìn)封裝被重點(diǎn)關(guān)注！目前，先進(jìn)封裝的重要性已成為行業(yè)共識(shí)，為搶占技術(shù)高地，全球主要封測(cè)廠、晶圓廠、IDM都在加緊布局先進(jìn)封裝。
“后摩爾時(shí)代”封裝技術(shù)已經(jīng)不再單純地只以線寬、線距和集成度來(lái)衡量，而是更多地考慮如何提升系統(tǒng)性能以及提升整個(gè)系統(tǒng)的集成度，封裝測(cè)試環(huán)節(jié)在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中的創(chuàng)新能力和價(jià)值越來(lái)越高。
成熟工藝與特色工藝
在“后摩爾時(shí)代”，隨著追求高精度制程工藝的節(jié)奏放緩，掌握成熟特色工藝的芯片制造商會(huì)首先獲益，可以憑借著產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)、區(qū)位優(yōu)勢(shì)、服務(wù)優(yōu)勢(shì)、成本優(yōu)勢(shì)，來(lái)不斷拓展市場(chǎng)，并提升自身的技術(shù)水平，向更具有競(jìng)爭(zhēng)力的領(lǐng)域延伸。行業(yè)人士指出，特色工藝一般而言不會(huì)過(guò)度追求制程的精度，以注重工藝成熟度、高性價(jià)比為核心，但相應(yīng)產(chǎn)品的市場(chǎng)空間會(huì)長(zhǎng)期存在，并且還會(huì)隨著下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而增長(zhǎng)。
成熟工藝主要體現(xiàn)在8寸片和功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。功率半導(dǎo)體很多工藝平臺(tái)主要在8寸，并且8寸和12寸工藝上差別不大，從線寬角度看，12寸功率半導(dǎo)體也僅僅是90nm，只有做到功率IC才會(huì)往65nm線寬去發(fā)展。這意味著國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)半導(dǎo)體設(shè)備和材料公司都可以為功率半導(dǎo)體產(chǎn)線提供設(shè)備和材料，從而最大限度的解決了卡脖子瓶頸問(wèn)題，這是功率半導(dǎo)體發(fā)展的基礎(chǔ)。同時(shí)隨著國(guó)內(nèi)新勢(shì)力造車，以及中國(guó)的人口優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)新能源汽車滲透率逐年提升的行業(yè)背景下，國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體公司將迎來(lái)黃金發(fā)展期。
從市場(chǎng)的角度，目前在先進(jìn)制程方面，10nm以下產(chǎn)能僅占17%，而83%的市場(chǎng)是10nm以上節(jié)點(diǎn)。最近一年的缺芯事件也說(shuō)明了如28nm、40nm等成熟制程的芯片產(chǎn)品仍有巨大的市場(chǎng)空間。
從現(xiàn)實(shí)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)本土可控的55nm芯片制造，可能比完全進(jìn)口7nm產(chǎn)品更有意義。如果能夠運(yùn)用成熟工藝，結(jié)合新材料的運(yùn)用提升芯片性能，將是后摩爾時(shí)代本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展機(jī)遇。
此外，如射頻領(lǐng)域的特色工藝制造，也是我國(guó)可能實(shí)現(xiàn)突破的領(lǐng)域。射頻前端器件一般使用成熟制程，不跟隨摩爾定律迭代。射頻前端器件對(duì)GaAs\GaN等新材料、新工藝的需求遠(yuǎn)勝于對(duì)先進(jìn)制程的需求。射頻前端器件對(duì)于移動(dòng)通信意義巨大、市場(chǎng)廣闊，在后摩爾定律時(shí)代，有利于我國(guó)追趕、反超世界先進(jìn)水平。
在如今“大國(guó)博弈”的半導(dǎo)體行業(yè)處于大變局的當(dāng)下，提前實(shí)現(xiàn)對(duì)于“潛在顛覆性技術(shù)”的布局，有助于維持集成電路產(chǎn)業(yè)持續(xù)向前發(fā)展，有助于中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)突破限制和封鎖，實(shí)現(xiàn)科技自立自主、彎道超車，也有助于更好應(yīng)對(duì)未來(lái)在高科技領(lǐng)域的全球競(jìng)爭(zhēng)。
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