后摩爾時代半導(dǎo)體潛在顛覆性技術(shù)猜想：找新材料，做新架構(gòu)
5月14日，國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第十八次會議在北京召開。中共中央政治局委員、國務(wù)院副總理、國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組組長劉鶴主持會議并講話。本次會議還專題討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)。
什么是后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)?
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)近50年的發(fā)展，摩爾定律一直被奉為“金科玉律”。摩爾定律不是數(shù)學公式，也不是物理原理，而是基于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出的預(yù)言。通過芯片工藝的演進，每18個月芯片上可容納的晶體管數(shù)量翻一番，達到提成芯片性能和降低成本的目的。
近些年，隨著芯片工藝不斷演進，硅的工藝發(fā)展趨近于其物理瓶頸，晶體管再變小變得困難，越來越多的人認為摩爾定律即將終結(jié)，因此后摩爾時代概念隨之而出。
所謂后摩爾時代的潛在顛覆性技術(shù)，可以理解為繞過現(xiàn)有技術(shù)演進的技術(shù)。
芯謀研究首席分析師顧文軍接受澎湃新聞記者采訪時表示：“后摩爾時代有三個方面值得研究，一個是新材料，每一次新技術(shù)發(fā)展材料都是非常重要的，現(xiàn)在是硅基，以后可能是碳基；第二是架構(gòu)上的創(chuàng)新；第三，制造封裝端，比如Chiplet（芯粒）等都是值得研究的。”顧文軍表示還有新的物理器件、新的存儲器都值得關(guān)注。
北京半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會副秘書長朱晶告訴澎湃新聞記者，顛覆性技術(shù)要沿著計算、存儲、功率、感知、通信、AI、類腦等這些方向去尋找。
朱晶曾經(jīng)在“2020年中國集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀回顧和新時期發(fā)展展望”一文中對后摩爾時代諸多顛覆性技術(shù)有過論述。
朱晶在文中稱，當前，在摩爾定律放緩以及算力和存儲需求爆發(fā)的雙重壓力下，以硅為主體的經(jīng)典晶體管很難維持集成電路產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，整個產(chǎn)業(yè)正快速進入一個大變革的時代，技術(shù)創(chuàng)新密集活躍，尤其是圍繞新材料和新架構(gòu)的顛覆性技術(shù)將成為后摩爾時代集成電路產(chǎn)業(yè)的主要選擇。
在新材料方面，朱晶認為通過全新物理機制實現(xiàn)全新的邏輯、存儲及互聯(lián)概念和器件，推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的革新。例如，拓撲絕緣體、二維超導(dǎo)材料等能夠?qū)崿F(xiàn)無損耗的電子和自旋輸運，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高性能磁性存儲器如MRAM和阻變存儲器，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。
在架構(gòu)方面，朱晶認為，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、高級抽象硬件描述語言和基于IP的模板化芯片設(shè)計方法，將取代傳統(tǒng)芯片設(shè)計模式，更高效應(yīng)對快速迭代、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)計算架構(gòu)將數(shù)據(jù)存儲單元和計算單元融合為一體，能顯著減少數(shù)據(jù)搬運，極大地提高計算并行度和能效。計算存儲一體化在硬件架構(gòu)方面的革新，將突破AI算力瓶頸。基于芯粒的模塊化設(shè)計方法將實現(xiàn)異構(gòu)集成，被認為是增強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。
顧文軍也表示，原來的國家重大專項布局到2020年結(jié)束，現(xiàn)在是布局新的專項時候了，今年是“十四五”的開局之年，也恰逢半導(dǎo)體全球大變局，現(xiàn)在考慮布局后摩爾時代的顛覆性技術(shù)是正確的。
可以預(yù)見的是，后摩爾時代的潛在顛覆性技術(shù)一旦突破，將顛覆原有的技術(shù)軌跡，形成新的替代技術(shù)軌道，這也是全球產(chǎn)業(yè)界和國家布局后摩爾時代最重要原因。
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