中國芯片未來發(fā)展，這些問題是關(guān)鍵
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01.引言
02.集成電路器件與集成前沿技術(shù)
▲圖1 集成電路的發(fā)展趨勢
在邏輯器件與集成方面，FinFET成為先進(jìn)集成電路制造工藝進(jìn)入后摩爾時(shí)代采用的主流三維器件，已經(jīng)成功地推動(dòng)了從22nm到5nm甚至3nm等集成電路工藝節(jié)點(diǎn)的發(fā)展 [1-3]。圍柵晶體管可以進(jìn)一步增強(qiáng)柵極控制能力，有望較好地克服當(dāng)前技術(shù)的物理縮放比例和性能限制，從而在溝道厚度及寬度控制方面相比較FinFET具有更好的優(yōu)勢。三星電子在2003年提出多橋–通道場效應(yīng)晶體管（multi-bridge-channel field-effect transistor, MBCFET）的水平圍柵器件方案 [4]，并于2022年成功應(yīng)用于3nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模量產(chǎn) [5]。IBM、IMEC、三星等公司和研究機(jī)構(gòu)利用超晶格犧牲層方法研制的多層堆疊納米片/納米線圍柵器件，通過突破內(nèi)側(cè)墻隔離技術(shù)、原子層金屬填充技術(shù)、犧牲層去除技術(shù)等挑戰(zhàn)，進(jìn)一步提高了器件性能和集成密度 [6,7]。通過新的信號(hào)控制和處理方式，利用新原理器件來突破功耗瓶頸也成為微納電子器件的前沿和熱點(diǎn)。隧穿場效應(yīng)晶體管（tunneling field-effect transistor, TFET）采用量子力學(xué)帶帶隧穿作為導(dǎo)通機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)超陡亞閾擺幅，突破傳統(tǒng)MOSFET（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）器件的理論極限值。國內(nèi)外許多著名半導(dǎo)體公司、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)都積極開展了關(guān)于TFET的研究。北京大學(xué)以TFET工作機(jī)制為突破口，提出并研制了梳狀柵雜質(zhì)分凝隧穿場效應(yīng)晶體管，該晶體管的最小亞閾擺幅是目前報(bào)道的硅基隧穿器件中的最低值（29mV/Dec），并且其工藝能夠和多個(gè)技術(shù)代技術(shù)兼容，在大生產(chǎn)線上進(jìn)行了集成和電路應(yīng)用驗(yàn)證 [8,9]。人工智能的熱潮讓研究者加強(qiáng)了對(duì)底層器件的關(guān)注，通過新的信息處理方式研制神經(jīng)形態(tài)等新型信息器件，模擬實(shí)現(xiàn)生物大腦的神經(jīng)元及其連接的信息處理功能，進(jìn)而推動(dòng)類腦計(jì)算等領(lǐng)域的發(fā)展。比如阻變隨機(jī)存儲(chǔ)器（resistive random-access memory, RRAM）從2008年由惠普實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)之后，由于結(jié)構(gòu)簡單、集成密度高并且具有斷電仍然能夠保持存儲(chǔ)狀態(tài)的優(yōu)勢，成為突觸神經(jīng)形態(tài)器件的重要候選技術(shù)，并得到了眾多研究者的關(guān)注。通過材料特性的調(diào)控、綜合電子/離子等輸運(yùn)機(jī)制及熱/電/磁場等多激勵(lì)手段，研究者們已經(jīng)基于RRAM、相變隨機(jī)存儲(chǔ)器（phase-change random-access memory, PCRAM）等器件研制了可以成功模擬尖峰時(shí)間相關(guān)的可塑性（spiking timing dependent plasticity, STDP）、長時(shí)/短時(shí)可塑性和信號(hào)時(shí)空整合與發(fā)放等突觸和神經(jīng)元功能的神經(jīng)形態(tài)器件，并通過小規(guī)模的集成與互連，初步驗(yàn)證了一些類腦或者智能信息的處理功能 [10-13]，但是如果要構(gòu)建大規(guī)模的類腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者類腦芯片，則需要產(chǎn)業(yè)提供強(qiáng)力的工程支撐和大規(guī)模集成的方案指導(dǎo)。總的來說，集成電路器件與集成面臨如下兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn):(1) 芯片集成度無法通過傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)與尺寸微縮方式持續(xù)提升。采用傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)和尺寸微縮方式提升芯片集成度將面臨熱產(chǎn)生原子的隨機(jī)漲落、量子效應(yīng)限制靜電控制能力、 高密度圖形化衍射極限等難題。同時(shí)，我國目前先進(jìn)工藝發(fā)展受到限制，不僅缺少極紫外（extreme ultra-violet, EUV）光刻設(shè)備，也面臨一系列器件結(jié)構(gòu)機(jī)理與集成工藝瓶頸亟待探明與突破，如半導(dǎo)體低溫結(jié)晶原理與技術(shù)、垂直三維堆疊的散熱問題、圍柵器件的金半接觸電阻調(diào)控機(jī)理、與硅基工藝兼容的超薄高遷移率溝道材料生長原理等。(2) 芯片的算力受到功耗限制無法持續(xù)提升。亟需探索電輸運(yùn)的能量耗散本質(zhì)，解決存算分離的數(shù)據(jù)搬運(yùn)能耗問題、平面集成的互連延遲瓶頸、載流子信息承載與運(yùn)算操作的能耗極限問題、納米尺度下器件中信號(hào)的漲落與噪聲問題等。2.2 集成電路器件與集成的前沿展望集成電路器件與集成前沿技術(shù)的發(fā)展需要從“新器件–新材料–新工藝–新架構(gòu)"等不同層次出發(fā)，研究相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù)問題，尋找變革性技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破。先進(jìn)工藝是集成電路發(fā)展的關(guān)鍵，因此應(yīng)首先持續(xù)推進(jìn)EUV等先進(jìn)圖形化技術(shù)及系列關(guān)鍵技術(shù)的探索和研發(fā)，另一方面，可積極探索無EUV路徑依賴的新工藝/新器件技術(shù)。通過新結(jié)構(gòu)、新原理、新材料、新工藝、新架構(gòu)的全面結(jié)合和協(xié)同創(chuàng)新，深入開展微納電子核心器件與集成的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，通過設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（design technology co-optimization, DTCO）[14] 以及系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（system technology co-optimization, STCO）方法 [15]，突破器件結(jié)構(gòu)機(jī)理與集成工藝瓶頸。整合創(chuàng)新鏈，整體設(shè)計(jì)提高芯片性能的關(guān)鍵技術(shù)路徑，突破集成電路新器件與集成前沿核心技術(shù)，推動(dòng)5～2nm及以下先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的研發(fā)和量產(chǎn)，助力我國在微納電子核心器件、集成技術(shù)，以及先進(jìn)電子材料領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)水平，并為未來集成電路發(fā)展開展前沿新技術(shù)探索，支撐我國集成電路產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。在不同的設(shè)計(jì)制造層次之中，先進(jìn)的封裝技術(shù)正在逐步成為推動(dòng)系統(tǒng)性能持續(xù)提升的關(guān)鍵因素，也滿足了電子產(chǎn)品“輕、薄、短、小"以及系統(tǒng)化集成的需求。鑒于中國在發(fā)展先進(jìn)制程方面面臨一定的外部限制，因此，優(yōu)先發(fā)展先進(jìn)的封裝技術(shù)，作為一種有效補(bǔ)充和部分替代的策略，應(yīng)成為我們未來發(fā)展的重要邏輯之一。先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展正聚焦于兩個(gè)核心方向：晶圓級(jí)封裝和系統(tǒng)級(jí)封裝。(1) 晶圓級(jí)封裝。此方向的技術(shù)發(fā)展專注于優(yōu)化晶圓制程。通過晶圓重構(gòu)工藝和重布線技術(shù)，在更為緊湊的封裝面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多引腳的容納。這不僅滿足了封裝的“窄間距、高密度”要求，還通過形成金屬凸點(diǎn)與外部實(shí)現(xiàn)了有效互聯(lián)。(2) 系統(tǒng)級(jí)封裝。此方向著重于模組領(lǐng)域的拓展。系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)努力實(shí)現(xiàn)多功能芯片的集成，如處理器、存儲(chǔ)器及其他元器件，進(jìn)而在一顆芯片中集成這些先前分散在印刷電路板（printed circuit board, PCB）板上的組件。這種整合有助于壓縮模塊體積和縮短電氣連接距離，從而提高芯片系統(tǒng)的整體功能性和設(shè)計(jì)靈活性。近年來，Chiplet技術(shù)作為先進(jìn)封裝技術(shù)的一種創(chuàng)新突破，也受到了廣泛的關(guān)注。這種技術(shù)通過利用先進(jìn)封裝手段，將多個(gè)具有不同功能的異構(gòu)芯片裸片整合集成于一個(gè)特定功能的系統(tǒng)芯片中，預(yù)示著異質(zhì)整合有望成為未來芯片設(shè)計(jì)的主流方向。Chiplet異質(zhì)集成涉及的典型先進(jìn)封裝技術(shù)包括TSV、超高密扇出、嵌入式多芯片互連橋接（embedded multi-die interconnect bridge, EMIB）， 以及混合鍵合等 [16-19]。在封裝方面，我國需發(fā)展先進(jìn)封裝工藝，根據(jù)明確的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需求，研發(fā)適合的封裝工藝，特別是聚焦于攻克核心封裝工藝的難題。對(duì)于需要在前端平臺(tái)進(jìn)行加工的工藝部分，應(yīng)明確前后工藝的分工，并實(shí)施前后工藝的協(xié)同設(shè)計(jì)和優(yōu)化迭代。此外，還應(yīng)發(fā)展核心封裝材料和設(shè)備，建立完整的“材料–封裝–應(yīng)用”產(chǎn)業(yè)鏈。根據(jù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的需求，參考國外進(jìn)口材料的標(biāo)準(zhǔn)，由材料廠商開發(fā)相應(yīng)的封裝材料，并進(jìn)行性能的測試評(píng)估和比較。接著，在國內(nèi)先進(jìn)封裝平臺(tái)上，進(jìn)行多輪材料的迭代使用，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)口材料的國產(chǎn)化替代。封裝廠商應(yīng)明確需求，與裝備廠商合作，共同研發(fā)關(guān)鍵封裝裝備。在國內(nèi)先進(jìn)封裝平臺(tái)上，加速國產(chǎn)裝備的測試和優(yōu)化迭代過程。03.模擬與射頻電路前沿技術(shù)
▲圖2 模擬與射頻集成電路發(fā)展趨勢
寬帶高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器是模擬電路設(shè)計(jì)與制造的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，也是瓦森納協(xié)議（Wassenaar arrangement）嚴(yán)格控制對(duì)我國出口的核心關(guān)鍵器件。由于寬帶高速無線通信和一體化雷達(dá)與電子戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展，寬帶射頻直采及轉(zhuǎn)化處理、高速模擬信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換成為重要的技術(shù)發(fā)展方向。此外，高精度和高靈敏度的生物與導(dǎo)航傳感應(yīng)用需求，以及納伏級(jí)微弱信號(hào)采樣與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理需求也十分迫切。隨著集成電路工藝節(jié)點(diǎn)不斷微縮，使用納米級(jí)集成電路工藝制備高速模擬集成電路面臨一系列新挑戰(zhàn)。一方面，先進(jìn)制程下電源電壓下降，信噪比下降，受高速時(shí)鐘抖動(dòng)等噪聲的影響愈加嚴(yán)重 [20-23]，直接影響模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能與精度。另一方面，納米工藝下高性能放大器對(duì)高質(zhì)量信號(hào)處理至關(guān)重要 [24-26]，而先進(jìn)制程下，運(yùn)放有效輸出擺幅有限，放大信號(hào)的線性度被嚴(yán)重限制，放大器精確度下降，同時(shí)，最大模擬信號(hào)帶寬和工藝約束下的本征頻率上限差距逐漸增大。隨著集成電路工藝截止工作頻率不斷提升，射頻毫米波的主流工藝變成硅基工藝，尤其是在毫米波相控陣芯片領(lǐng)域提供了高集成度和低成本的解決方案，并在低軌衛(wèi)星通信和毫米波車載雷達(dá)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用。近年來我國在射頻集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域快速發(fā)展，研究成果處于領(lǐng)先水平。針對(duì)下一代硅基毫米波太赫茲相控陣技術(shù)應(yīng)用，射頻集成電路面臨超寬帶、超大規(guī)模陣列和多波束等一系列技術(shù)難題，尤其是在基于自主工藝的模型、關(guān)鍵電路和系統(tǒng)應(yīng)用等方面仍然存在挑戰(zhàn)。在超寬帶技術(shù)方面，如何平衡射頻性能、寬帶能力和成本始終是未來核心挑戰(zhàn)。在超大規(guī)模陣列方面，如何保證通道一致性是一個(gè)重點(diǎn)研發(fā)方向和挑戰(zhàn)。在多波束方面，****或通信系統(tǒng)的多波束架構(gòu)面臨功耗及成本開銷大的難題，同時(shí)模擬全連接多波束架構(gòu)連線復(fù)雜度高，未來如何實(shí)現(xiàn)低開銷高效率的多波束架構(gòu)是重要的發(fā)展方向。高密度電源管理是高算力芯片的核心支撐，人工智能時(shí)代，系統(tǒng)層面對(duì)于電源管理芯片提出了更高要求，并對(duì)功率、電流、轉(zhuǎn)換比、效率都提出了全方位的要求，現(xiàn)有處理器中輸入輸出接口中超過一半甚至70%的針腳用于供電 [27,28]，電源管理芯片在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性日益突出。目前電源管理芯片正面臨著從二維、平面到三維、立體功率轉(zhuǎn)換器的技術(shù)變革。英特爾等國外領(lǐng)先企業(yè)已布局大量埋置等集成化電感專利，相關(guān)核心技術(shù)專利墻正在形成 [29,30]。而我國在電源管理芯片方面，整體仍處于追趕態(tài)勢。工業(yè)界缺少頂層電源架構(gòu)的工程師，高校層面主要關(guān)注創(chuàng)新架構(gòu)，距離實(shí)際落地應(yīng)用仍有一定差距。3.2 模擬與射頻電路的前沿展望為了應(yīng)對(duì)以上應(yīng)用需求和技術(shù)挑戰(zhàn)，面向高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，亟需發(fā)展混合架構(gòu)高精度低延時(shí)新策略和高度可重構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，利用新架構(gòu)、新電路、新器件挖掘自主可控工藝極限特性，實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的跨代工藝超越。在新架構(gòu)方面，因?yàn)榫w管的截止頻率隨著工藝制程的發(fā)展不斷提升，如28nm晶體管的截止頻率已超過300GHz [31]，所以基于高度數(shù)字化模數(shù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)可以充分挖掘工藝極限性能，并對(duì)數(shù)字預(yù)處理、模擬信號(hào)鏈和射頻信號(hào)鏈等電路進(jìn)行高度一體化集成，摒棄原有模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品形態(tài)，可為核心模擬器件自主可控提供支撐。在新電路方面，可編程模擬電路有望使用一個(gè)芯片覆蓋眾多應(yīng)用，通過軟件定義架構(gòu)，對(duì)電路功能、電路精度、電路速度進(jìn)行可重構(gòu)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)、架構(gòu)及軟件上加大對(duì)模擬電路的支持，實(shí)現(xiàn)跨架構(gòu)系統(tǒng)可重構(gòu)及面向多場景、多模態(tài)的高精度應(yīng)用，從而降低研發(fā)成本，提高研發(fā)速度。在新器件方面，化合物工藝器件的截止頻率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅基工藝器件，因此充分結(jié)合化合物半導(dǎo)體和硅基集成電路工藝是重要的發(fā)展趨勢。例如，探索化合物和硅基半導(dǎo)體的微系統(tǒng)集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中超寬帶采樣保持結(jié)構(gòu)化合物的工藝實(shí)現(xiàn)，信號(hào)量化及轉(zhuǎn)換采用硅基集成電路工藝完成運(yùn)算交織，從而通過微系統(tǒng)異質(zhì)異構(gòu)集成實(shí)現(xiàn)超高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，滿足高端儀器、T級(jí)光傳輸?shù)劝l(fā)展需求。面向射頻毫米波電路，需按照芯片器件的模型、關(guān)鍵電路，以及系統(tǒng)3個(gè)層級(jí)進(jìn)行布局。在射頻毫米波電路中，電路性能對(duì)模型精度極其敏感 [32-34]，而目前針對(duì)毫米波和太赫茲器件建模還存在精度不足等限制，尤其針對(duì)現(xiàn)在自主工藝構(gòu)建獨(dú)立自主的模型庫，極大限制了自主可控射頻毫米波集成電路發(fā)展。同時(shí)，在射頻毫米波關(guān)鍵電路方面還將面臨大帶寬、高效率和多波束等挑戰(zhàn)，亟需在電路架構(gòu)和設(shè)計(jì)上進(jìn)行創(chuàng)新和突破，以滿足新一代無線系統(tǒng)應(yīng)用需求。在系統(tǒng)層面, 需要在未來6G通信、太赫茲通感一體、量子調(diào)控等方面開展積極布局。面向高效率高集成度的電源管理電路，從平面二維供電轉(zhuǎn)換成立體三維集成供電，這是電源管理芯片的主要發(fā)展趨勢。首先，在高密度方面，三維化方案需集成部分無源器件，開關(guān)頻率越高，越可以減小無源器件的尺寸，提升集成密度。但高頻意味著效率的降低。需要設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換器的創(chuàng)新架構(gòu)，以在高頻約束下實(shí)現(xiàn)更高的效率。其次，在速度響應(yīng)方面，針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)超寬帶的環(huán)路響應(yīng)的問題，需要開展創(chuàng)新控制方法研究，采用多路互相協(xié)調(diào)、互相幫助的方案突破DC-DC環(huán)路快速響應(yīng)的理論極限。在基礎(chǔ)元器件方面，需要突破國外公司相關(guān)的電容電感技術(shù)專利，解決三維集成方案中的散熱問題，探索開關(guān)電感電容混合型DC-DC架構(gòu)，突破性能指標(biāo)解耦設(shè)計(jì)難題。最后，在系統(tǒng)集成方面，高集成度的電源管理芯片，不僅需要芯片設(shè)計(jì)創(chuàng)新、工藝上元器件的支持，還需要解決三維封裝里面的散熱問題，因此要更強(qiáng)地在不同領(lǐng)域之間形成合力的工作。建議開展基于Chiplet架構(gòu)的電源芯片架構(gòu)和設(shè)計(jì)研究，開展性能指標(biāo)解偶設(shè)計(jì)、基于Chiplet架構(gòu)的創(chuàng)新功率轉(zhuǎn)換器架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)字化全集成穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)、分布式、 多路輸出的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新功率轉(zhuǎn)換器架構(gòu)和數(shù)字化的全集成穩(wěn)壓電源。04.集成電路設(shè)計(jì)方法前沿技術(shù)
▲圖3 EDA工具發(fā)展路線圖
在集成電路誕生初期，單個(gè)集成電路僅有數(shù)個(gè)元器件，集成電路設(shè)計(jì)人員可以使用手工布局連線的方式完成芯片設(shè)計(jì)。隨著集成電路的快速發(fā)展，單個(gè)集成電路芯片上的元器件數(shù)量極速增長，依靠人力資源手工完成芯片設(shè)計(jì)耗時(shí)長、成本大。20世紀(jì)70年代，集成電路物理級(jí)的布局布線需求推動(dòng)了第一代EDA工具的誕生。20世紀(jì)80年代中期，第二代EDA工具在物理級(jí)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上向邏輯門級(jí)進(jìn)行遷移，出現(xiàn)了一系列邏輯門級(jí)電路模擬工具、標(biāo)準(zhǔn)單元的版圖設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工具。第三代EDA工具發(fā)展于20世紀(jì)90年代，VHDL、Verilog等多種硬件描述語言（hardware description language, HDL）相繼誕生，EDA工具逐步實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)級(jí)到寄存器傳輸級(jí)（register transfer level, RTL）、門級(jí)、電路級(jí)，最終至物理級(jí)的設(shè)計(jì)自動(dòng)化，芯片設(shè)計(jì)流程變得更加自動(dòng)化與標(biāo)準(zhǔn)化。隨著先進(jìn)工藝的發(fā)展，集成電路特征尺寸不斷降低，電路規(guī)模與集成度爆炸式增長，今天一顆處理器芯片的晶體管數(shù)量可達(dá)數(shù)千億個(gè)。此外，先進(jìn)集成封裝技術(shù)與先進(jìn)計(jì)算方式帶來了一系列EDA新問題，芯片規(guī)模與EDA問題的求解時(shí)間急劇增長，集成電路設(shè)計(jì)周期通?？蛇_(dá)數(shù)個(gè)月的時(shí)間，嚴(yán)重影響芯片設(shè)計(jì)的迭代效率。在集成電路設(shè)計(jì)方面，體系架構(gòu)、電路與器件的高度融合、密切結(jié)合是未來推動(dòng)集成電路發(fā)展的重要方式。現(xiàn)有EDA工具往往側(cè)重于特定層級(jí)與設(shè)計(jì)問題的優(yōu)化求解，如邏輯綜合工具主要求解數(shù)字電路RTL級(jí)到門級(jí)的映射優(yōu)化問題，布局布線工具主要在物理級(jí)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)單元的布局與互聯(lián)。因此, 現(xiàn)有電路設(shè)計(jì)方法難以支撐跨層次聯(lián)合設(shè)計(jì)，分層優(yōu)化無法達(dá)到架構(gòu)、電路、器件跨層優(yōu)化的性能水平。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度看，EDA市場主要被美國的新思科技（Synopsys）、鏗騰電子（Cadence），以及德國西門子（Siemens）所壟斷，三家公司的全球總市場占有率超過60%。而在我國EDA行業(yè)的市場份額中，本土EDA工具占比小于15%，與EDA巨頭公司相差甚遠(yuǎn) [35]。市場份額的顯著差距源于如下問題。首先，國產(chǎn)EDA工具覆蓋率低。國外EDA公司不僅有流程全覆蓋的工具鏈，而且具備完整的EDA工具生態(tài)。而國內(nèi)EDA公司仍聚焦在點(diǎn)工具上，對(duì)集成電路完整設(shè)計(jì)鏈條的覆蓋率低。其次，我國EDA工具缺少先進(jìn)工藝制程的支撐，生態(tài)不健全。工藝制程決定了電路設(shè)計(jì)的問題定義與約束條件，缺少先進(jìn)工藝的支持將導(dǎo)致EDA研究者難以面向最新的半導(dǎo)體技術(shù)開展優(yōu)化方法研究，從而造成EDA工具無法支持先進(jìn)電路設(shè)計(jì)。這些問題嚴(yán)重影響了我國EDA工具的市場競爭力，并造成我國集成電路產(chǎn)業(yè)在EDA方面面臨嚴(yán)重的“卡脖子”問題。4.2 電路設(shè)計(jì)方法的前沿展望4.2.1 基于人工智能的無人工干預(yù)芯片自動(dòng)生成過去，傳統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)流程主要以人為核心，通過EDA等自動(dòng)化工具的輔助，基于功能模塊拼接成完整芯片。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，其將有望全面替代人類的工作，重塑傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)的全流程。將傳統(tǒng)的人工手動(dòng)設(shè)計(jì)與EDA自動(dòng)化工具結(jié)合的半自動(dòng)設(shè)計(jì)流程，重塑為基于人工智能技術(shù)、無人干預(yù)的機(jī)器自動(dòng)迭代設(shè)計(jì)。基于人工智能的芯片自動(dòng)生成方法將顛覆傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程、全面釋放廣闊的設(shè)計(jì)優(yōu)化空間，從非精確的整體邏輯出發(fā)，通過自動(dòng)調(diào)試、自動(dòng)修復(fù)，不斷逼近正確邏輯。將原有的分層分立的模塊化設(shè)計(jì)空間全面打通，轉(zhuǎn)變?yōu)榭鐚迂炌ǖ娜衷O(shè)計(jì)空間，將“從局部到整體”的設(shè)計(jì)流程改變?yōu)椤皬恼w到局部”的設(shè)計(jì)流程。過去我們認(rèn)為芯片問題急不得，芯片技術(shù)往往要5～10年才能走完基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用之路。然而，當(dāng)今人工智能技術(shù)（如AlphaGo和ChatGPT）從嶄露頭角到一騎絕塵通常僅需1～2年的時(shí)間，因此，基于人工智能的芯片自動(dòng)生成技術(shù)的競爭慢不得。面向后摩爾時(shí)代超大規(guī)模和超高精度的挑戰(zhàn)，我國急需面向人工智能全自動(dòng)芯片生成的全流程進(jìn)行布局：(1) 針對(duì)國產(chǎn)芯片設(shè)計(jì)高端人力資源匱乏的壁壘桎梏，突破基于人工智能技術(shù)的自動(dòng)邏輯功能設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化和評(píng)估驗(yàn)證技術(shù)。(2) 建設(shè)可提供流片支持和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共享的人工智能芯片自動(dòng)生成公共創(chuàng)新平臺(tái)和開放系統(tǒng)軟件部署平臺(tái)，牽引上述科技創(chuàng)新的體系化快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始創(chuàng)新的快速系統(tǒng)集成與應(yīng)用驗(yàn)證。4.2.2 “系統(tǒng)–架構(gòu)–電路–器件–工藝"跨層次協(xié)同優(yōu)化集成電路跨層次協(xié)同優(yōu)化的設(shè)計(jì)范式亦被稱為左移融合模型，即將器件、工藝等層級(jí)的后序設(shè)計(jì)與系統(tǒng)、架構(gòu)、電路的前序設(shè)計(jì)階段融合在一起。現(xiàn)有的集成電路分層設(shè)計(jì)范式具有設(shè)計(jì)階段相互解耦、各階段設(shè)計(jì)簡單的優(yōu)勢。然而, 不同設(shè)計(jì)層級(jí)相互影響，設(shè)計(jì)過程中需要大量反饋迭代，開發(fā)周期長，全局優(yōu)化不足?？鐚哟螀f(xié)同優(yōu)化的左移融合模型，其優(yōu)勢在于開發(fā)周期短，全局優(yōu)化充分，且有望實(shí)現(xiàn)集成電路設(shè)計(jì)的降本增效。當(dāng)前芯片驗(yàn)證的人力和成本開銷已經(jīng)超過了芯片設(shè)計(jì)階段，左移融合模型可以在早期階段進(jìn)行測試及分析，盡早發(fā)現(xiàn)和預(yù)防這些問題，從而提高芯片質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。美國新思科技、鏗騰電子等EDA公司近年來開展了多階段融合的嘗試，并推出了相關(guān)產(chǎn)品，如新思科技的Fusion Compiler工具可以實(shí)現(xiàn)從RTL級(jí)硬件描述語言到GDSII （graphic design system II）版圖文件的跨層級(jí)協(xié)同優(yōu)化 [36]。面向左移融合的跨層次協(xié)同優(yōu)化，我國需建立EDA創(chuàng)新合作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)EDA工具的串鏈，加強(qiáng)EDA行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化工具接口，實(shí)現(xiàn)面向集成電路全流程設(shè)計(jì)的自主可控智能化電路設(shè)計(jì)工具鏈。4.2.3 人工智能輔助的電路設(shè)計(jì)方法人工智能大數(shù)據(jù)時(shí)代，機(jī)器學(xué)習(xí)算法等人工智能技術(shù)在眾多復(fù)雜問題上（如人臉識(shí)別、目標(biāo)檢測、自動(dòng)駕駛等）取得了巨大的進(jìn)步，具有了超越人類水平的能力，有效解決了決策、分類、檢測及設(shè)計(jì)空間搜索等問題。EDA應(yīng)用中的眾多問題可以被表征為決策問題、分類問題與檢測問題，使用人工智能算法解決EDA問題，有望提高大數(shù)據(jù)時(shí)代智能芯片的設(shè)計(jì)效率。目前，國內(nèi)外主要的EDA公司均在已有工具中引入了人工智能方法提高EDA工具的求解優(yōu)化效率。例如，美國鏗騰電子在布局布線工具Innovus中，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行時(shí)序預(yù)測 [37]。由于機(jī)器學(xué)習(xí)算法依賴于大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，因此鏗騰電子使用了大量芯片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在云計(jì)算平臺(tái)上進(jìn)行模型訓(xùn)練，將訓(xùn)練好的機(jī)器學(xué)習(xí)模型與其他傳統(tǒng)模型一并整合到Innovus中，用于提高設(shè)計(jì)效率。在學(xué)術(shù)界，我國高校開展了諸多基于人工智能的電路自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法前沿探索 [38-40]。此外，我國具有良好的人工智能基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)設(shè)施方面，算力總規(guī)模全球第二，達(dá)到每秒1.97萬億億次浮點(diǎn)運(yùn)算（197EFLOPS）；在行業(yè)應(yīng)用方面，人工智能在我國制造、交通、醫(yī)療、金融等重要行業(yè)中的滲透度接近40%；在數(shù)據(jù)方面，2022年我國數(shù)據(jù)產(chǎn)量規(guī)模占全球數(shù)據(jù)總產(chǎn)量的10.5%。上述人工智能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)有望支撐我國新一代EDA工具的研發(fā)。面向人工智能大數(shù)據(jù)新時(shí)代的電路設(shè)計(jì)方法，我國需建立一系列開源開放的新平臺(tái)，包括開源電路IP平臺(tái)、電路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)平臺(tái)，以及云端EDA點(diǎn)工具平臺(tái)等。促進(jìn)開源EDA工具與商業(yè)EDA工具的相輔相成，打造開放的EDA生態(tài)。05.計(jì)算架構(gòu)前沿技術(shù)
▲圖4 器件特征轉(zhuǎn)變
在通信方面，光通信新器件是典型代表。光通信可以將多個(gè)波長的光進(jìn)行調(diào)制，通信帶寬可達(dá)Tbps級(jí)別，頻率可以提升至太赫茲量級(jí) [45]。在計(jì)算方面，量子計(jì)算、生物計(jì)算器件受到廣泛關(guān)注。量子計(jì)算器件在特定問題上相較于傳統(tǒng)計(jì)算甚至有解出和解不出的區(qū)別，而生物計(jì)算如DNA計(jì)算理論上可以提供超高的并行度。在存儲(chǔ)方面，RRAM、鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器（ferroelectric random-access memory, FeRAM）、磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（magnetic random-access memory, MRAM）等新型存儲(chǔ)都取得了諸多成果 [46]，在某些特性上較傳統(tǒng)存儲(chǔ)器更好，也為存算一體體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打開了新的設(shè)計(jì)空間。5.2 計(jì)算架構(gòu)的前沿展望總體來看，體系結(jié)構(gòu)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入黃金時(shí)代，各種專用架構(gòu)層出不窮。然而, 以大模型為代表的智能應(yīng)用仍然是計(jì)算中最重要且最被廣泛應(yīng)用的負(fù)載。因此，加速大模型的訓(xùn)練和推理的體系結(jié)構(gòu)成為目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的熱點(diǎn)。另外，能夠提供新特性的新型器件也是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。目前，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體上有兩個(gè)趨勢，一個(gè)是縱向設(shè)計(jì)融合，一個(gè)是橫向設(shè)計(jì)融合。縱向設(shè)計(jì)融合指的是，隨著芯片制造半導(dǎo)體工藝發(fā)展陷入停滯，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不得不從過去分層設(shè)計(jì)優(yōu)化，邁向縱向的跨層次聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，如DTCO，深挖應(yīng)用、架構(gòu)、器件到工藝的聯(lián)合優(yōu)化，從而提供更高效的芯片設(shè)計(jì)。橫向設(shè)計(jì)融合指的是，隨著智能應(yīng)用場景開始慢慢固化，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始從過去對(duì)應(yīng)用分階段分步驟的設(shè)計(jì)考量，邁向?qū)?yīng)用各個(gè)階段的聯(lián)合設(shè)計(jì)優(yōu)化。例如在感–存–算一體化芯片中，從對(duì)視覺感知到存儲(chǔ)到最后的計(jì)算都在一個(gè)芯片上完成；又例如Chiplet多芯粒集成，可將不同功能芯粒聯(lián)合成一個(gè)芯片。面向上述兩個(gè)趨勢，主要研究方向包括如下幾點(diǎn):(1) 跨層次一體化設(shè)計(jì)。在橫向設(shè)計(jì)融合和縱向設(shè)計(jì)融合發(fā)展趨勢下，不同的設(shè)計(jì)層次、不同材質(zhì)的器件、不同的集成方式都成為可能，這也使得體系結(jié)構(gòu)需要在橫向和縱向的聯(lián)合空間進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從而在單位面積內(nèi)集成更多更高效的算力。而目前，聯(lián)合設(shè)計(jì)工具缺失、異質(zhì)集成方式多樣，都使得跨層次一體化設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)重重。(2) 專用和通用的兼容。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)事實(shí)是芯片制造成本仍然很高，周期仍然很長。例如，一款典型CPU需要500名工程師花費(fèi)2年時(shí)間才能設(shè)計(jì)完成。一個(gè)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不得不考慮設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)周期的影響，也就是說體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要具有一定的通用性，否則很有可能在經(jīng)過一年到兩年的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期后，制造出的芯片已經(jīng)無法支撐當(dāng)前主流應(yīng)用，或者所制造出的芯片只有很少的市場應(yīng)用，連成本都無法收回。因此體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要盡可能提高設(shè)計(jì)效率。06.集成電路發(fā)展意見和建議
原文鏈接：
https://www.sciengine.com/SSI/doi/10.1360/SSI-2023-0356
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