芯片工业：弯道超车之“四杀器”

据世界知识产权组织（WIPO）统计，中国的专利、商标等知识产权申请量连续多年居世界首位，发明专利、PCT专利申请数量优势显著，但专利布局质量普遍不高。基于此，笔者从半导体专利的全球比较入手，对集成电路产业的基础研究做一些初步探讨。

上图中，三元法专利是指在世界三大市场（美国、欧盟和日本）申请的专利，通常被认为涵盖更高价值的发明，对应着我国企业视角中的国际专利。三元专利转化率，指的是本国所申请的半导体专利，有多少比例同时在这三大市场申请。我们可以通过半导体发明专利的特征，对全球半导体主要国家和地区的基础研究进行一番分析：

中国大陆每年提交的半导体学术研究论文和专利总数位居全球第一，并且遥遥领先于其它国家和地区。这反映出我们一直在致力于半导体技术研发投入，集聚了全世界最大量的人才资源、最充裕资金资源和最聚焦的政策资源。

• 中国大陆的半导体专利被引用数最低，平均被引用次数在1左右，仅为中国台湾地区的一半，美国的八分之一。这表明中国半导体专利偏基础性发明的极少，全球学者缺乏引用的必要性。这意味着这些在数量上完全碾压全球其它国家和地区的中国大陆半导体专利池，要么是侧重产品应用发明，要么是为政策申报、评奖、融资而申请的“无效”专利。
• 中国大陆的三元法转化率低于10%，但中国台湾地区只有3%左右，日本、韩国也远低于美国和欧洲。这表明东亚地区半导体发明专利对同时进入美国、欧盟和日本没有太大兴趣，特别是对其中的欧盟市场，可能对方东亚半导体企业缺乏足够吸引力。
• 美国半导体专利数量较少，略低于韩国和日本，远少于中国大陆，但美国半导体专利引用率接近8次，是中国大陆8倍，说明其专利在半导体行业具有原创性和开拓性，代表了行业的领先水平，其它同行企业无法规避，这是美国半导体基础研究实力仍然强大的一个明显证据。美国和欧洲三元法转化率都超过30%，说明这两个区域的半导体企业，都着眼于美国、欧盟、日本等全球市场。
• 可见，中国大陆与美国在半导体基础研究上差距不小。

解铃还须系铃人，要想超越半导体强国，还需要从半导体发源地取经。2017年6月，美国国防高级研究计划局（DARPA）微系统技术办公室宣布推出新的电子复兴计划（ERI，Electronics Resurgence Initiative）。美国电子复兴计划的主要目的，是担心半导体技术越朝前发展，越有失效的危险。电子复兴计划，某种意义上就是现实版本的“拯救半导体大兵摩尔”。老摩尔定律驰骋全球半导体战场50余年了，今天遇到了能否继续生存下去的“生命危险”。而美国是一等大兵摩尔的娘家和大本营，责无旁贷地要联合台积电、三星、ASML这些强大外援，团结美国国内一切可以团结的大学、研究所、企业、国防力量，一起拯救大兵摩尔。

老摩尔当年还真的留下了锦囊。这个锦囊，就是美国电子复兴计划反复强调的“Page3”。摩尔在1965年初上半导体战场时，发表了“Cramming More Components onto Integrated Circuits”宣言。在这个宣言的第1页、第2页，阐述了被半导体世界广泛推崇的“摩尔定律”，即“当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”如果说机器人三定律可能会引导未来500年的话，摩尔定律则已经指导了过去至少50年。俗话说的好，Cash is King，所以笔者认为摩尔还是要比科幻作家阿西莫夫厉害许多。在摩尔宣言的第三页，摩尔为自己出征沙场留下了锦囊；大兵摩尔早在50多年前，就阐述了一旦情况紧急时后辈拯救他的突围路线：（1）优化芯片架构，（2）优化芯片设计，（3）改用更合适的材料，（4）高度集成。

2016年，美国半导体行业协会（SIA）会同美国半导体研究联盟（SRC）一起组织全球科学家对未来半导体发展方向进行了深度探讨，形成了芯片从基础阶段到应用的八层架构。其中，构成底层的4层与老摩尔1965年提出的4条突围路线有异曲同工之妙。

解救摩尔是全球的挑战，也是所有参与者包括中国的机遇。摩尔的全部突围之路，也即是中国作为半导体后进国家赶超欧美的主攻方向。对中国具体启发包括：

1、材料

现在业内最热的是碳化硅等化合物半导体材料，其在功率器件上有很好的性能表现，但并非替代硅基的合适材料。

世界范围内的科学家普遍在探索“超CMOS”（beyond-CMOS）材料和器件。美国微纳电子研究中心（NRI）专注于陡坡低功耗晶体管，自旋电子材料和器件，2D材料（例如石墨烯和二维过渡金属硫化物）和器件，以及多铁性材料和器件。欧洲IMEC在研究一系列陡坡器件（譬如隧道场效应晶体管FET），自旋电子器件，以及RRAM和STTRAM。日本国立工业科学技术研究所（AIST）的电子部则在探索纳米电子学、光子学、先进制造、自旋电子学、柔性电子学，以及无处不在的MEMS和微制造技术等，化学部则在研究纳米材料、碳纳米管应用、先进功能材料的计算设计等。

2、基础架构

探讨中的新型芯片架构必需向前看，适应新兴的器件技术、新材料、新的制造方案以及新的应用驱动需求，可能会实现多值逻辑（例如模拟和量子计算）和信号权重和收敛（例如神经网络和神经形态计算）。

在研究新型基础架构时，需要考虑使用新型金属和复合材料，替代现有的（Cu）金属；需要考虑金属通孔以外的底层之间的新型互连（例如光互联、等离子体互连、基于自旋的互连）。

3、设计

从更高效能的EDA工具入手，智能设计（IDEA）是一个突围方向。目标是创建一个布线图智能生成器，使没有电子设计专业知识的用户能够在24小时内完成电子硬件的物理设计，覆盖混合信号集成电路、系统级封装和印刷电路板等全领域。从整个芯片设计周期看，目标将从零开始数年完成一个产品推向市场的当前周期，缩短为数月以内。

在2018年8月的深圳集成电路产业峰会上，美国锴橙公司（Cadence）曾介绍其是美国电子复兴计划第一批入选项目的最大的承担者。这表明，要革命性的提升芯片性能，设计工具可能是最佳的切入口。

4、集成

美国计划通过三维单片片上系统（3DSoC）计划，开发3D单片技术，使SoC的性能提高50倍。2022年3月，英特尔、AMD、ARM、高通、台积电、三星、日月光、谷歌、META、微软等十大巨头成立了CHIPLET标准联盟，旨在定义一个开放的、可互操作的标准，用于将多个硅芯片（或芯粒）通过先进封装的形式组合到一起。这对中国意义非凡，目前部分先进设备被封锁情况下，工艺节点被限制，采用类似先进封装方式进行性能快速提升是较可行方案。

同时，我们也要把握芯片制造业追赶的机会。在美国电子复兴计划第一批入选项目中，一项称为“利用致密细粒度的单片三维集成技术彻底改革计算系统”的项目雄心勃勃：团队计划利用单片三维集成系统，使传统工艺（90纳米级别）所制造的芯片能与目前最先进技术所制造的芯片相媲美。若如此，我们大量12英寸45-90纳米的存量生产线，也有得与台积电10-16纳米工艺一战之力。

作者简介

冯锦锋博士，上海集成电路行业协会副秘书长、复旦大学客座教授，先后获得清华大学管理信息系统、计算机科学工学双学士，技术经济学管理学硕士，上海交通大学知识工程学工学博士，著有《一砂一世界》（2019）、《芯路》（2020）、《芯镜》（2023）。

文章来源： 机工电子 冯锦锋