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继2021年呈现26.2%的强劲增长之后，2022年全球半导体产业销售规模达5801亿美元，较上年增长4.4%。其中，中国半导体市场规模全球占比高达31.1%，超过美洲、欧洲、日本等国家或地区，为最大半导体消费市场。据中国半导体行业协会数据显示，中国集成电路产业销售规模已从2013年的2508.5亿元，增至2022年的1.2万亿元（同比增长14.8%）。

不过，“繁荣”的数字背后，却透露着”心酸”——集成电路（IC）仍是中国每年第一大宗进口商品。据海关数据显示，中国集成电路进口额由2013年的2313.4亿美元，增至2022年的4156亿美元；同期进口额由877亿美元增加至1539亿美元；逆差额则由1436.4亿美元扩大至2617亿美元。

也因此，中国要为进口集成电路付出巨大代价：其一，中国需要花巨资进口集成电路，比如2022年中国进口集成电路5384亿块，其价值高达4156亿美元。其二，由于中国高端芯片严重依赖进口，在形势严峻之时，遭遇断供风险极高，有钱也无济于事。比如2022年9月，美国禁止英伟达（NVIDIA）对中国出口其最先进的高算力人工智能(AI)芯片;2023年1月，美日荷三国达成协议限制向中国出口先进半导体制造设备；2023年8月，美国财政部获得授权，可审查美国投资者的特定对外投资活动。现阶段明确拟加强对中国半导体和微电子、人工智能和量子计算技术等特定领域，尤其是对该领域“敏感技术” (sensitive technology)的投资审查监管。

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如何破解中国集成电路落后的僵局?

“集成电路涵盖数理化专业知识，并涉及机械、电子、材料、仪器仪表等多个环节，缺一不可。” 中国科学院院士、深圳大学校长毛军发在2023中国(深圳)集成电路峰会(简称：ICS2023)上表示，“EDA、装备、材料的落后是导致中国集成电路落后的重要原因。”

毛军发以EDA为例指出，中国高校拥有很多算法教授，各自都有小程序、小模块，但各自为政，也缺乏大的集成商，而像Cadence、Synopsys这些巨头，正是其EDA中集成了数百个小软件模块，才拥有今天的江湖地位和市场规模。同时，中国工艺的落后也影响到EDA的发展。

如何打破这种僵局?业界的思路很清晰，就是延续摩尔定律——把晶体管做小，但在实施过程中，仍面临物理原理、技术手段和经济成本三重极限挑战。因此，毛军发院士所提出的“集成系统”概念，就是绕道摩尔定律（More than Moore）的技术手段之一。

据介绍，“集成系统”概念被提出主要基于四方面的考虑：

第一、集成电路(芯片)只是手段，微电子系统才是目的。单一芯片再先进，哪怕由1 nm工艺制造，即便集成1000亿个晶体管都没用，其只有在系统中才能发挥作用。

第二、摩尔定律正面临挑战，再往前走难度会越来越大。

第三、集成电路系统的前道设计加工，与后道的封装集成界限越来越模糊。

第四、传统的1,000多种封装技术的做法，采取的是分立实施的步骤，即先做芯片，再封装，最后再搭建系统，这样效率很低。

鉴于此，毛军发团队参照集成电路 (Integrated Circuits，IC) 的思想提出集成系统 (Integrated Systems，IS) 的概念。此概念被提出的初衷，就是希望能够像过去集成大规模电路一样实现复杂系统的集成。按照他的说法，与其向着集成手段去发力，不如直接向着集成系统的目的去发力。

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前道设计加工与后道封装逐步收敛融合

“随着现在集成电路前后道工艺界限越来越模糊，如果任由这种趋势发展下去，将会对中国集成电路产业带来不利影响。” 毛军发强调道。

据他介绍，台积电（TSMC）的SoIC(System on Integrated Chips)技术，它的堆叠芯片互联的间距(pitch)小于一微米，这一尺度跟片上互联的尺寸相当。它是片上互联，还是前道或后道，已经分不清了。正因如此，现在真正先进的封装技术必须要用前道工艺来做，像台积电、英特尔这些传统Foundry能力较强的厂商，如果其将强大的前道工艺加工能力用作后道封装集成，或对中国大陆较强的封测能力实现降维打击。

据台积电官网资料显示，SoIC 是推动异构小芯片集成领域发展的关键技术支柱，其尺寸更小，性能更高。它采用超高密度垂直堆叠，可实现高性能、低功耗和最小RLC（电阻-电感-电容）。SoIC 将有源和无源芯片集成到新的集成 SoC 系统中，该系统在电气上与本机 SoC 相同，以实现更好的外形尺寸和性能。SoIC 技术的主要特点包括：实现具有不同芯片尺寸、功能和晶圆节点技术的已知良好芯片 (KGD) 的异构集成 (HI)；卓越的可扩展性；整体3D系统集成。

(a) 芯片分割前的SoC；(b)、(c)、(d) 由 SoIC 技术实现的变体分区小芯片和重新集成方案 （图片来自台积电）

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集成系统的定义，特色和意义

集成电路 (IC)的定义，就是将晶体管、电阻、电容和电感等元器件及互连线制作(集成)在一小块半导体芯片或介质基片上，形成具有预期功能的电路。即所有元器件在结构上已组成一个整体，使电路向着高密度、大规模、小型化、低功耗、低成本和高可靠性方向发展。

集成系统(IS)的定义，则是将各种芯片、传感器、元器件、天线、互连线等制作(集成)在一个基板上，形成具有预期功能的系统。即所有芯片与元器件在结构上组成一个整体，使系统向着高密度、小型化、强功能、低功耗、低成本、高可靠、易设计、易制作方向发展。

集成系统主要有3大特色：

一、从顶层开始设计可大大提高效率。系统规划，协同设计，融合制造，一体化集成。

二、涵盖5大跨度，即跨尺度，跨材料，跨工艺，跨维度，跨物理的集成技术。

三、在集成系统中，芯片只是组成部分之一，如果顶层设计的好，芯片的功能作用可被弱化，不用先进的芯片同样能实现需要的系统功能，比如利用芯粒(chiplet)技术、IP技术。用相对较落后的工艺，实现相对较为先进的系统功能，这样可以降低对尖端半导体设备的依赖。

集成系统的3点意义：

一、实现从电路集成向系统集成的跨越。

二、它是后摩尔时代，整个集成电路发展的重要方向之一。

三、它是中国半导体产业实现变道超车发展的突破口和历史机遇。

毛军发表示，如果说过去60年是集成电路的时代，现在可以大胆的预测，未来60年很可能是集成系统的时代。此预测是否准确，尚待实践检验。

另外，他还指出，“集成系统”概念已经提出，但现在全球没有完全符合其特征的技术，但存在一些技术雏形：

一、如芯粒(chiplet)技术。芯粒是小型模块化芯片,可以组合形成完整的片上系统 (SoC)。它们被设计用于基于芯粒的架构，其中多个芯粒连接在一起以创建单个复杂的集成电路。

二、封装中的天线(AiP)技术。此技术就是把天线做到封装里,通过一体化实现封装系统小型化，将带宽加宽，将差损减小。

三、多功能无源元件技术。此技术就是用一个元件，实现过去五、六种分离元件结合在一起才实现的功能。

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异质集成技术

当前最能体现上述3类技术雏形的，就是半导体异质集成技术。它指的是将不同工艺节点的化合物半导体coms器件或芯片集成在一起，以突破单一工艺的功能与性能极限，实现强大的复杂功能、优异的综合性能。毛军发指出，集成系统技术雏形早就有了，只不过不这么叫而已，而异质集成技术是集成系统最有力的技术手段。

据介绍，美国的微电子计划(JUMP)内容很丰富,其重点之一就是异质集成。美国希望通过异质异构，使整个电子系统性能(探测能力和速度)再提升100倍，功耗成本降至当前的1%。它的效果就跟过去摩尔定律的效果相似，只不过技术手段不一样。它绕开了摩尔定律的发展方向，通过异质集成的方式实现目标。同时，毛军发还指出，欧盟、日本、中国台湾地区，都在做这方面的研究，中国的上海交大、中电集团、中科院、长电科技等也有一些相关研究。

在提及3D异质集成的进展时，毛军发特别指出，IBM三维的异质集成电路技术纳入了逻辑、存储、射频、光电子和传感器，它是典型的异质集成技术的体现。

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集成系统的发展趋势和面临的挑战

对于异质集成的未来发展，毛军发认为，集成系统的发展趋势跟集成电路发展相似，它的工作速度和集成度会不断提高，但有一点比较特殊——它是通过将电、光、机，甚至包括生物传感器，进行一体化集成，实现强大的系统功能。

鉴于此，业界所面对的挑战仍非常严峻。他将其概括为3点：

一是多物调控，包括电力、温度、应力等。

二是多性能协同，涉及信号/电源完整性、热、力等。

三是多材质融合，则涵盖硅、化合物半导体、Cu、BCB等。

另外，他还表示，跟摩尔定律相对应，集成系统也有定律。它指的是一个系统里所集成的芯片数和元器件数量，也会在一段时间内翻一翻，其成本会下降一半等。

为了解决上述挑战，业界仍需解决5个关键科学技术问题（当然还有其他）：

一、集成系统体系架构。与芯片架构概念类似，集成系统架构也非常重要。如何把一个复杂的电子系统，分解成不同的功能与性能，然后再选择恰当的工艺组合和封装集成的模式。

二、自动化智能化协同设计。其涉及电信号、机械信号、机械性能和温度特性，它们之间是相互矛盾的，但也需要协同。比如有源和无源电路的，有数字的和模拟的，有微波和的毫米波的，甚至包括光电的，它们之间非常复杂，既需要传统的自动化，也需要智能化的协同设计。

三、工艺，特别是异质界面生成与工艺量化调控机理。毛军发表示：“过去的工艺设计和优化都是定性的，就是靠工程师经验进行优化和调控，我们希望通过多物理场计算，把这些工艺参数能以定量的量化形式予以控制。”

四、无源元件天线的小型化，这是针对射频系统而言的。打开手机可以看到，滤波器和天线占据整个手机板面积的80%。把滤波器、电感、天线做小，是将整个系统做小的关键所在。但是滤波器、天线的性能与尺寸有点矛盾，尺寸越小它的性能越差。

五、集成系统的可测性。因为基础性底盘(多种材料、工艺的元器件、天线、芯片)都是三维集成，它的可测试点是有限的，如果有限的测试数据中繁衍出一些缺陷，这也会给研究带来挑战。

来源：国际电子商情微信公众号