最新！中国科学院院士毛军发：从集成电路到集成系统

8月18日，2022世界半导体大会暨南京国际半导体博览会召开，中国科学院院士、深圳大学校长毛军发提出了未来60年是集成系统的时代。

目前，集成电路将晶体管、电阻、电容和电感等元器件及互连线制作在一块小半导体晶片或介质基片上，形成具有预期功能的电路。所有元器件在结构上已经组成一个整体，使电路向着高密度、大规模、小型化、低功耗和高可靠性方向发展。

毛军发院士提到，集成电路是我国被卡脖子的痛点。2021年中国进口集成电路价值达到4300亿美元，而同年石油进口价值则为2500亿美元，并且高端芯片基本依赖进口。

集成电路是一个国家综合科技实力乃至国力的反映。中国集成电路落后是多种因素影响的，包括先进技术受西方封锁、瞻前顾后、产学研脱节等因素。

举例来说，EDA落后的原因在于研究的算法较多，但很零散、没有规划、集成，没有形成能力；大型软件工程能力较弱，经验较少；用户不愿意用国产软件工具，形成恶性循环。装备落后是由于整体能力和市场环境等多方面因素影响的，而材料和电路的落后主要因为工艺精细度、稳定性不足等因素。

集成电路有两个发展方向，延续摩尔定律和绕道摩尔定律。而集成系统就是一种绕道摩尔定律的方式。

电子封装集成技术是将各种芯片、传感器、元器件、天线等集成为一个具有预期功能的系统。但世界上封装技术超过1000种，没有一个工程师能够完全掌握所有封装技术。并且，封装方面，集成电路前道设计加工与后道封装逐步收敛融合。台积电推出的3D Fabric的SOIC，采用最先进封装互联技术，堆叠芯片间互连间距可以小到亚微米，如果台积电主推的3D Fabric，那么台积电将会在半导体行业更加强势，而大陆本来代工较弱，封装较强的局面会变成代工和封装都落后。

毛军发院士提出了集成系统概念。提出集成系统是出于三个考虑，第一，集成电路（芯片）只是手段，微电子系统才是目的；第二，摩尔定律面临原理、技术与成本多方面的挑战；第三，集成电路的前道设计设计加工与后道封装集成逐步收敛融合。

毛军发院士认为，过去60年是集成电路（IC）的时代；未来60年是集成系统（IS）的时代。

集成系统是将各种芯片、传感器、元器件、天线、互连线等制作一个基板上，形成具有预期功能的系统。所有芯片与元器件在结构上组成一个整体，使系统高密度、小型化、强功能、低功耗、低成本、高可靠、易设计、易制作。

集成系统的区别是从系统角度进行一体化设计制造，只将芯片看作为系统的一种部件，可以借鉴芯片研发的多种思想技术。并且，其出现将提高系统的设计效率和综合性能，减少系统成本，增加其可靠性，降低对芯片设计以及设备的要求。

因此，集成系统是复杂微电子系统集成技术发展新途径。概念是新提出的，但技术是之前就有的。毛军发院士介绍了四个技术。

第一个是小芯片技术。将单一先进工艺的大芯片分解成多个特征模块，每个模块小芯片用各自最适合工艺实现，体现了集成系统思想。

第二个是封装中天线AiP技术。AiP是指包含无线芯片的封装结构中实现的天线。相比于普通分立天线，AiP具有更好的系统性能，更小的PCB面积，更低的成本，以及更短的研发周期。

第三个是多功能无源元件技术。电子系统中包含大量的无源元件，不同功能元件、天线级联需要大量转接，引入额外损耗和体积。而多功能无源元件技术是将多种元件结合为协同设计的多功能元件，显著减少系统所需元件和转接个数，降低插损，实现小型化。

第四个是半导体异质集成。将不同工艺节点的化合物半导体高性能或芯片、硅基低成本高集成器件或芯片，与无源元件或天线，通过异质键合或外延生长等当时集成而实现集成电路或系统的技术。

国外方面，2018年1月，美国启动联合大学微电子计划；同年7月，美国启动电子复兴计划，这两项的重点都是异质集成。于此同时，欧盟面向下一代高性能CMOS SoC的III-V族纳米线半导体集成技术计划；日本、韩国、新加坡和我国台湾地区都有异质集成相关研究计划。国内方面，上海交通大学、中电集团、中科院、长电科技等展开了系统封装研究。

毛军发院士提出了集成系统发展的趋势与面临的挑战。集成系统将朝着集成度、工作速度不断提高，电、光、机一体的趋势发展。但目前在多物理体调控、多性能协同、多材质融合方面仍存在挑战。

第一个关键科技问题是，集成系统体系架构。界定集成系统的功能与性能，并进行结构分解；芯片及各类元器件种类的确定，集成工艺选择；集成系统的布局，互连方式与标准。

第二个关键科技问题是，自动化智能化协同设计。电磁、热、应力多物理协调设计需要提高设计自动化智能化水平。

第三个关键问题是，异质界面生成与工艺量化调控机理。集成系统工艺参数调整受制于电、热、应力多物理场特性，必须认识其内在关系，掌握工艺量化设计与优化机理。

第四个关键问题是，无源元件、天线小型化。无源元件最多可以占射频电子系统元件总数的90%，系统总面积的80%，面积、工艺与芯片差异大，无源元件的小型化与集成对整个射频系统至关重要。

第五个关键问题是，集成系统的可测性原理。多种材料、工艺的元器件、天线、芯片三维高密度集成，微米间距，高频高速工作。

目前，毛军发院士团队合作研制出首套及系列国产射频EDA商用软件，48款国产射频EDA商用软件工具，500种高精度PDK模型，与中芯国际工艺兼容的集成无源器件IP库，已量产3.5亿颗。其软件目前已被展讯、海思、中兴等企业应用，并且出口英特尔、IBM、苹果等国际著名公司。

此外，毛军发院士还研发基于硅基MEMS和BCB异质键合工艺流程，垂直通孔损耗0.1dB@94GHz；W波段异质集成片上雷达；非侵入式生命体征探测毫米波雷达。

演讲最后，毛军发院士表示，摩尔定律面临极限挑战，转折点临近，半导体技术将从电路集成走向系统集成的发展新路径，为我国半导体发展提供历史机遇。