未來晶片技術發展態勢分析

創新研究

以下文章來源於世界科技研究與發展 ，作者王立娜，唐川，等

世界科技研究與發展

《世界科技研究與發展》期刊官方公眾號，為報導國際科技發展戰略、規劃、計劃、態勢、政策、管理、評價的科技期刊，刊登科技評述與展望、科技戰略與規劃、科技態勢與趨勢、科技預測與預見、科技政策與管理、科技評價與評估、科技決策與諮詢等方面的文章。

摘要：半導體集成電路是現代信息產業的基石，但主導其發展的摩爾定律正遭遇物理學和經濟學雙重限制，致使傳統的矽基電子技術臨近發展極限，亟需採用新型晶片技術推動未來信息產業持續蓬勃發展。各國政企積極布局了一系列未來晶片技術，搶佔國際半導體技術戰略制高點。本文梳理了一批主要未來晶片技術，剖析了這些晶片技術的當前發展現狀、所處的成熟度階段和市場應用前景。最後，對我國未來晶片技術的發展提出了建議，以期為我國相關研究工作提供參考。具體建議包括制定未來晶片技術發展規劃，打破國外壟斷格局；梯次推進未來晶片技術發展，平衡新技術發展面臨的機遇與風險；重點推動存內計算技術研發和商業化，緩解我國晶片技術卡脖子問題。

信息化、數位化、網絡化、智能化是引領當前科技、產業乃至社會變革的時代大潮，半導體產業是順應這一時代潮流的根基性、戰略性和先導性產業，是衡量一個國家科技發展水平乃至綜合國力的重要指標。從1985年的日美《廣場協議》到中興事件、華為實體名單，再到日本將韓國移出貿易優惠「白名單」，半導體一直是大國之間貿易戰、科技戰和經濟戰的主戰場，晶片技術則是各方激烈爭奪的戰場制高點。當前，主導晶片產業發展的摩爾定律正遭遇物理學和經濟學雙重極限，一批未來晶片技術被寄予厚望，各國政企紛紛布局，有望給多年來固化的國際半導體競爭格局帶來變數。在此背景下，本文對全球未來晶片技術發展態勢進行了剖析和討論，並對我國未來晶片發展提出了建議。

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未來晶片技術發展現狀

目前，原子尺度矽材料的基本物理限制使得由摩爾定律驅動的矽技術演進路徑似乎正快速接近終點。隨著摩爾定律走向終結，人工智慧、物聯網、超級計算及其相關應用卻提出了更高的性能要求，半導體產業步入亟需轉變突破發展的關鍵點，晶片架構、材料、集成、工藝和安全方面的創新研究成為新的突破方向。

1.1

新型電晶體技術

1.1.1 新架構電晶體技術

鰭式場效應電晶體（Fin Field-effect transistor，FinFET）是當前主流半導體製造工藝採用的電晶體架構，成功地推動了從22納米到7納米等數代半導體工藝的發展，並將拓展到5納米和4納米工藝節點。全環柵電晶體（Gate-All-Around field-effect transistors，GAAFET）是一種繼續延續現有半導體技術路線壽命的較主流技術，可進一步增強柵極控制能力，克服當前技術的物理縮放比例和性能限制。從3納米開始，韓國三星電子將放棄FinFET架構轉向GAAFET架構，計劃在2020年底進行3納米GAAFET產品風險試生產，2021年底進行批量生產。3納米以下電晶體潛在技術包括互補場效應電晶體（Complementary Field-Effect Transistors，CFET）、垂直納米線電晶體、負電容場效應電晶體（Negative Capacitance Field-Effect Transistors，NC-FET）、隧穿場效應電晶體（Tunnel Field-Effect Transistor，TFET）等。

1.1.2 新材料電晶體技術

研究矽基材料的替代材料，開發新型電子器件是解決當前晶片發展瓶頸的另一種解決方法。當前，替代性半導體材料主要包括第三代半導體材料、碳基納米材料、二維半導體材料等。

第三代半導體材料包括碳化矽、氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁、氧化鎵等為代表的寬禁帶半導體材料，可實現高壓、高溫、高頻、高抗輻射能力，被業內譽為固態光源、電力電子、微波射頻器件的「核芯」及光電子和微電子產業的「新發動機」。目前，碳化矽電晶體和氮化鎵電晶體的研發相對較為成熟，推動著5G通信技術、新能源汽車、光電器件等市場快速增長，其他第三代半導體材料尚屬於初級研究階段。德國英飛凌公司已開發出系列碳化矽金屬-氧化物半導體場效應電晶體和分立器件。美國Cree公司於2019年宣布投資10億美元打造碳化矽超級製造工廠，將碳化矽晶圓製造能力提高30倍，以滿足2024年的預期市場增長。宜普電源轉換公司早在2009年就推出第一款商用增強型氮化鎵電晶體，目前面向無線電源傳送、全自動汽車、高速移動通信、低成本衛星、醫療護理等應用提供100多種氮化鎵產品。日本AGC公司已聯合Novel Crystal Technology公司開發氧化鎵晶片。

石墨烯和碳納米管是有望取代矽延續摩爾定律的碳基納米材料。石墨烯具有非常優異的電學、力學、光學和熱學等特性，可通過微納加工工藝實現各種類型和功能的器件，現已開發出基於石墨烯的電晶體、二極體、存儲器、集成電路、電池、超級電容器、熱電器件、太陽能電池、光電探測器、傳感器等電子和光電子器件。中國科學院金屬研究所於2019年10月製備出「矽-石墨烯-鍺電晶體」，大幅縮短延遲時間，並將截止頻率由兆赫茲提升至吉赫茲。近年來，基於碳納米管的碳基電子學研究也取得了飛速發展，並逐漸從基礎研究轉向實際應用。美國MIT於2019年開發出迄今為止用碳納米管制造的最大計算機晶片，一顆由1.4萬餘個碳納米管電晶體（Carbon Nanotube Field-Effect Transistors，CNFET）組成的16位微處理器，證明可以完全由CNFET打造超越矽的微處理器。

高質量的二維材料是潛在的下一代替代材料，但距離傳統半導體產業至少還有十年的時間。除石墨烯外，較有希望的二維材料包括二硒化鎢和二硫化鉬等過渡金屬二滷化物，但仍處於初級研究階段。

1.2

新型存儲器晶片技術

當前，靜態存儲器（Static Random-Access Memory，SRAM）、動態存儲器（Dynamic Random-Access Memory，DRAM）、快閃記憶體等主流存儲器面臨著難以逾越的固有技術局限和工藝挑戰。以相變存儲器（Phase-Change Memory，PCM或PCRAM）、磁性存儲器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、阻性存儲器（Resistive Random Access Memory，ReRAM）、鐵電存儲器（Ferroelectric Random Access Memory，FRAM）、碳納米管存儲器（Nanotube Random Access Memory，NRAM）為代表的新型存儲器能夠帶來獨特的性能優勢，但均採用新材料製造且工藝嚴苛，大規模量產仍需一定的時間。其中，PCM、MRAM、ReRAM是普遍認為最有前途的新型非易失性存儲器。PCM具有成本低和3D可伸縮性等特性，有望取代部分基於DRAM的高端固態硬碟；MRAM具有讀寫速度快、功耗低、成本低等特性，正在成為物聯網設備存儲器的領先候選者；ReRAM具有讀寫速度快和功耗低等顯著的性能優勢，有望帶來高密度和低成本存儲應用。據美國數據存儲分析公司Coughlin Associates報告顯示，MRAM和自旋轉移轉矩磁性存儲器（Spin-Torque Transfer Magnetoresistive Random Access Memory，STT-MRAM）將在未來幾年內取代或非門快閃記憶體；ReRAM是快閃記憶體的潛在替代品，但至少仍需十年時間才能完全實現。

1.3

新架構晶片技術

1.3.1 存內計算晶片

存內計算是由一系列迅速融合的軟體技術和硬體架構進步實現的，突破了傳統存儲與計算分離架構對運算能力的限制，在性能、可擴展性和分析複雜性方面有了顯著的改進，主要用於數據密集型計算的處理。人工智慧和新型存儲器是推動存內計算發展的主要需求，因此預計存內計算晶片將出現兩種形態，一種為帶有計算功能的存儲器模塊，另一種為基於存內計算的人工智慧加速晶片。美國密西根大學開發了全球首個基於憶阻器陣列的存算一體通用人工智慧晶片，可快速、低能耗地執行多種人工智慧算法。合肥恆爍半導體科技公司與中國科大團隊合作研發的我國首款超低功耗存算一體人工智慧晶片系統演示順利完成，具有邊緣計算和推理能力。

1.3.2 深度神經網絡專用晶片

深度神經網絡是識別和歸類聲音、圖像、文本等數據的統計模型，目前大多數神經網絡的訓練和推理任務由圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）完成。在加速神經網絡運算時，深度神經網絡專用晶片具有比中央處理器（Central Processing Unit，CPU）和GPU更高的性能和更低的功耗。谷歌大規模部署了基於深度神經網絡的張量處理器（Tensor Processing Unit，TPU）晶片，英特爾、亞馬遜、華為、阿里等巨頭也分別研製了自己的神經網絡晶片，寒武紀、Graphcore等新創公司開發的深度神經網絡專用晶片受到了歡迎。

1.3.3 神經形態晶片

神經形態計算是一種通過構建類似動物大腦結構的計算架構以實現能夠模擬神經生物過程的智能系統的新型計算模式，它能極大提升計算系統的感知與自主學習能力，可以應對當前十分嚴峻的能耗問題，並有望顛覆現有的數位技術。儘管美國與歐盟等國家對神經形態計算都投入了大量研發資源，麻省理工學院、普渡大學、斯坦福、IBM、惠普等大學和公司開展了眾多探索性研究工作，但神經形態晶片仍處於非常早期的原型階段。英特爾推出一款名為「Pohoiki Beach」的新型神經形態晶片，內含800萬神經元，速度比現有的CPU快近千倍，效率高近萬倍，而耗電量僅為百分之一，所用架構為進一步擴展神經元數量奠定了基礎。清華大學開發出全球首款異構融合類腦計算晶片——「天機芯」，由多個高度可重構的功能性核組成，可同時支持機器學習算法和類腦計算算法，已成功在無人駕駛自行車上進行了實驗。

1.3.4量子計算晶片

作為一種藉助量子力學理論改進的計算模型，量子計算可超越經典計算機實現指數級的計算速度。近20多年來，量子計算取得了諸多突破性進展，但量子計算系統仍須在規模化、噪聲、互聯方面獲取重大突破才能提供商業價值。量子計算晶片已獲得了大量資金的支持，諸多大學和企業實驗室都在開展研究。半導體量子晶片完全基於傳統半導體工藝，更容易達到要求的量子比特數目，只要科學家能在實驗室裡實現樣品晶片，其大規模工業生產理論上講就不存在問題，這是它大大超越其它量子計算方案的優勢所在。Intel公司在量子計算機研製方面就選擇了矽量子點技術，於2018年研製出首臺採用傳統計算機矽晶片製造技術的量子計算機。澳大利亞新南威爾斯大學開發出了全球首款3D原子級矽量子晶片架構，朝著大規模量子計算機邁出了重要一步。目前，中國本源量子公司已與中國科學技術大學合作研發出第一代半導體二比特量子晶片—玄微。

1.3.5 光電集成晶片

光電集成晶片是指利用光子與微電子技術將光子元件和電子元件集成在一起的集成電路，具有高傳輸帶寬、快傳輸處理速度、高集成度和低成本等優點。在美國、歐盟、英國、日本等國家一系列戰略布局的推動下，光電集成晶片取得了一定的重要研究進展，但此晶片技術研究仍處於起步階段。荷蘭研究人員開發出快速且高能效光子存儲器，有望徹底變革未來光子集成電路的數據存儲過程。日本電信電話公司在處理器中引入光網絡技術，開發出集成納米光子學技術的晶片，實現了超小型光電變換元件。

此外，隨著Intel晶片、ARM晶片和AMD晶片安全漏洞的持續暴露，晶片設計漏洞檢測成為了未來晶片技術發展的重點考慮因素之一。2019年，美國史丹福大學開發出兩種人工智慧算法，能夠更快地檢測晶片前端和後端設計漏洞，縮減晶片驗證周期；密西根大學研究人員設計出一種新的處理器架構，所開發的「MORPHEUS」晶片可每秒20次加密和隨機重編關鍵數據比特，遠快於人類黑客和電子黑客技術的反應速度，進而主動抵禦未來威脅。

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未來晶片技術成熟度

美國高德納諮詢（Gartner）公司提出的技術成熟度曲線（The Hype Cycle）是對各種新技術的一般發展模式的圖形描述，是一種評估技術當前發展現狀和未來潛力的工具。橫軸表示一項技術從原型概念到成熟隨時間發展依次經歷的五個階段，依次為萌芽期、過熱期、幻想破滅期、復甦期和成熟期；縱軸表示大眾對技術未來市場價值的期望值，距主流應用所需時間表示技術的未來發展速度。

本文基於Gartner公司的技術成熟度曲線工具包，遴選出了潛在17項未來晶片技術，剖析了未來晶片技術的成熟度，如圖1所示（需要說明的是，Gartner技術成熟度曲線工具包不含石墨烯晶片、碳納米管晶片、量子計算晶片技術，故本文採用範圍更廣泛的量子計算、石墨烯、碳納米管技術來反映這三大未來晶片技術的成熟度）。

正處於萌芽期的技術包括氧化鎵電晶體、神經形態硬體、下一代電晶體（如納米線場效應電晶體、碳納米管電晶體、2D單分子膜電晶體等），業界對這三大技術的期望值越來越高，但用戶的需求和產品並不成熟，這些技術至少還需要5年或10年以上才有望帶來主流應用。

大量未來晶片技術正處於過熱期，包括阻性存儲器、深度神經網絡專用晶片、量子計算、矽基氮化鎵電晶體、石墨烯、碳納米管、碳化矽電晶體、碳納米管存儲器，這些技術獲得了媒體和風險投資的廣泛關注，並在少量關鍵用戶中投入初期應用。除量子計算需要10年以上才能成為主流應用外，處於過熱期的其他未來晶片技術普遍有望在5-10年帶來主流應用，深度神經網絡專用晶片只需要2~5年。

由於當前產品的成熟度難以滿足過高的期望，自旋轉移轉矩磁性存儲器、晶片互聯中的矽光子技術、相變存儲器正處於幻想破滅期，人們對這些技術的關注度正快速降低，同時出現大量負面評價。技術供應商正在改進相關產品，推動這些技術和產品達到市場預期。自旋轉移轉矩磁性存儲器和相變存儲器有望在2~5年內成為主流應用，晶片互聯中的矽光子技術則需要5~10年。

存內計算正處於復甦期，相關產品愈發成熟，有望在2~5年內成為主流應用。

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未來晶片技術的市場前景

為剖析未來晶片技術的市場應用前景，本文基於Gartner技術成熟度曲線工具包從市場滲透率和潛在效益等級角度對這些技術進行了歸類，如表1所示。未來晶片技術的潛在效益包括「變革性」「高」「中」三個等級，市場滲透率以當前技術市場佔預期目標市場的百分數表示。其中，「變革性」表示所屬技術將開創新的業務方式，導致行業發生重大轉變；「高」表示所屬技術將推動現有行業橫向和縱向拓展，大幅提升企業收益或節約成本；「中」表示所屬技術將逐步改進現有行業，幫助企業提升收益或節約成本。

可見，碳納米管和神經形態硬體是潛在市場效益最高、市場滲透率卻最低的未來晶片技術，技術研發和產業化風險最高，適合以科研機構為主開展嘗試性前沿探索研究；相變存儲器和自旋轉移轉矩磁性存儲器是當前市場滲透率處於中等級別的未來晶片技術，技術研發和產業化風險相對較低，未來可依潛在市場效益級別確定研發布局力度；存內計算是潛在市場效益和市場滲透率均最高的未來晶片技術，目前處於早期主流應用階段，技術研發和產業化風險最低，值得大力布局技術和產業化研究。

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啟示與建議

晶片是數字經濟的重要根基，半導體晶片技術的競爭不僅僅是科技或產業的競爭，還直接影響著各國在政治、經濟、國家安全等領域的話語權。基於未來晶片技術發展態勢的分析，本文為我國在相關領域的工作提出以下建議。

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制定未來晶片技術發展規劃，打破國外壟斷格局

當前，美國、日本、韓國、歐洲等國家和地區基本上壟斷了晶片產業鏈的高價值環節，建立了較難逾越的技術生態體系和智慧財產權壁壘。我國難以在短時間內實現傳統高端通用晶片的國產化替代，仍需長期的技術攻關和高昂的研發投入。在未來晶片的賽道上一些國家已提前部署，但還沒有國家真正建立領先優勢，我國應在「十四五」時期積極制定未來晶片技術發展規劃，全面加強核心技術攻關，加速推動即將步入成熟期技術的商業化，力爭在未來晶片技術自主可控方面實現歷史性突破。

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梯次推進未來晶片技術發展，平衡機遇與風險

當今世界正經歷百年未有之大變局，新一輪科技革命和產業革命加速演進，準確認識並駕馭不確定性是一項孕育著巨大機遇的嚴峻挑戰。我國應綜合評估未來晶片技術的當前成熟度階段、未來發展趨勢、市場效益潛質、國際競爭格局和我國研究基礎，把握未來晶片市場航向，通過設立重大專項、開展重點前沿研究和嘗試性前沿探索、成立產學研聯盟、鼓勵/扶持初創企業等發展策略，分層推進各項未來晶片技術梯次發展，指導相關技術研發資金投入、研究力量構建、商業化運作中的資本運營等行動，加快構建未來晶片技術梯次發展格局。

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重點推動存內計算技術研發和商業化，緩解卡脖子

隨著摩爾定律日趨終結，處理器和存儲器分離帶來的數據傳輸延遲和損耗成為限制晶片性能的主要瓶頸，存內計算技術是進一步大幅提升晶片性能並降低功耗的解決方案。當前，存內計算技術即將進入成熟期，市場滲透率高達20%~50%，未來潛在市場效益級別最高，屬於高回報低風險的未來晶片技術。我國相關企業與研究機構應充分把握此機遇，全面謀劃存內計算技術研發和商業化發展，聯合開發存內計算所需軟硬體技術，力爭取得一批關鍵核心技術突破，掌握一批自主智慧財產權，力爭未來產業主導權。

作者：王立娜1、唐川1、徐婧1,2

1.中國科學院成都文獻情報中心

2.中國科學院大學經濟與管理學院圖書情報與檔案管理系

本文轉載自微信公眾號世界科技研究與發展，本文原載於《世界科技研究與發展》2020年第2期