國產(chǎn)射頻EDA軟件突破！中國科學(xué)院院士毛軍發(fā)談半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路方向和突破路徑

(電子發(fā)燒友網(wǎng)報道 文/章鷹)6月9日，在2021世界半導(dǎo)體大會暨南京國際半導(dǎo)體博覽會上，中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)黨委常委、副校長毛軍發(fā)表示，集成電路是國家戰(zhàn)略需求產(chǎn)業(yè)，2020年中國進口集成電路價值3500億美元（同年進口石油1760億美元）。我國高端芯片基本依賴進口。

圖：中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)黨委常委、副校長毛軍發(fā)

他特別指出，中國集成電路落后三大原因：一、EDA落后，現(xiàn)階段研究算法的多，但很靈散，沒有規(guī)劃、集成，形成能力，大型軟件工程能力較弱，經(jīng)驗較少，用戶部愿意使用國產(chǎn)軟件工具；二、裝備落后，這主要是整體能力和市場環(huán)境等多方面因素影響；三、器件與電路落后，表現(xiàn)材料落后；工藝精細度和穩(wěn)定性不足。

現(xiàn)在，集成電路有錢也買不到，2020年5月，美國商務(wù)部宣布全面限制華為購買美國技術(shù)生產(chǎn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品；2021年4月，美國議員建議對14nm以下所有中國芯片公司出口管制。

目前，芯片有兩條主要發(fā)展路線：一是延續(xù)摩爾定律；二是繞道摩爾定律。大家很清楚摩爾定律，現(xiàn)在面臨一些挑戰(zhàn)，包括物理極限挑戰(zhàn)，技術(shù)手段挑戰(zhàn)和經(jīng)濟成本挑戰(zhàn)，光算經(jīng)濟賬都不得了。繞道摩爾定律有很多途徑，毛軍發(fā)院士認為，途徑之一就是異質(zhì)集成電路。

半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路將是中國芯片彎道超車的可能路徑之一

半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路，毛軍發(fā)院士介紹說，就是將不同工藝節(jié)點的化合物半導(dǎo)體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成器件成芯片（都含光電子器件或芯片），與無源元件或天線，通過異質(zhì)鍵合成或外研生長等方式集成而實現(xiàn)的。毛院士指出，異質(zhì)集成電路特色突出：一是可以融合不同半導(dǎo)體材料、工藝、結(jié)構(gòu)和元器件或芯片的優(yōu)點；二是采用系統(tǒng)設(shè)計理念；三是應(yīng)用先進技術(shù)比如IP和小芯片，chiplet；具有2.5D或3D高密度結(jié)構(gòu)。異質(zhì)集成電路優(yōu)點明顯：首先，實現(xiàn)強大的復(fù)雜功能、優(yōu)異的綜合性能，突破單一半導(dǎo)體工藝的性能極限；二是靈活性大、可靠性高、研發(fā)周期短；三是三維集成可以實現(xiàn)小型化、輕質(zhì)化；對半導(dǎo)體設(shè)備要求相對比較低，不受EUV光刻機限制。

他特別介紹了毫米波異質(zhì)集成電路，“毫米波是從30個G到300個G的頻段波段，帶寬很寬，而且器件小型化，所以也是國際上半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路發(fā)展的重點方向。目前市場三大有三個特殊原因，對異質(zhì)集成電路需求更加迫切：一是滿足很多需求從5G、6G到航天導(dǎo)航到無人駕駛、智能裝備到物聯(lián)網(wǎng)都需要毫米波技術(shù)；二是毫米波系統(tǒng)包括數(shù)字電路、模擬電路、射頻微波電路，所以對于異質(zhì)集成更加迫切；三是毫米波異質(zhì)所面臨的挑戰(zhàn)和問題更為嚴峻和復(fù)雜。因為頻率高具有分布式參數(shù)，從“路”向場演變；模塊之間的間距只有微秒量級、耦合緊密，造成設(shè)計工藝更加復(fù)雜。

毛軍發(fā)院士指出，研究半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路的科學(xué)意義顯著。可以通過集成電路從目前單一同質(zhì)工藝向多種異質(zhì)工藝集成方向發(fā)展，從目前二維平面集成向三維立集成方向發(fā)展，從TOP-DOWN到BOTTOM-UP發(fā)展，可以實現(xiàn)高性能的復(fù)雜系統(tǒng)。它的價值首先是電子系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展的新途徑；其次是后摩爾時代集成電路發(fā)展新方向；最后也是我們國家半導(dǎo)體集成電路變道超車發(fā)展的新機遇。

美國希望通過異質(zhì)集成電路能將電力系統(tǒng)提升性能提高10倍，使得探測能力和速度提高100倍，體積、重量和功耗下降到目前的1/100。

國產(chǎn)射頻EDA軟件突破取得重大成果

設(shè)計是射頻產(chǎn)業(yè)鏈的源頭，射頻電子設(shè)計自動化(EDA)軟件是射頻電路設(shè)計的使能端，也是射頻產(chǎn)業(yè)的重要基石。在本次大會上，毛軍發(fā)院士表示，針對中國對自主可控的射頻電路EDA軟件的迫切需求，由中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)副校長毛軍發(fā)和教授吳林晟研究團隊自主研發(fā)的整套射頻EDA仿真軟件研發(fā)上市，獲得了中國高等學(xué)校十大科技金獎。2020年，毛軍發(fā)研究團隊又獲得了國家6G射頻前端項目。

毛軍發(fā)院士表示，他的團隊和吳林晟教授研究團隊，與芯和半導(dǎo)體科技(上海)有限公司開展合作，在國家973項目、國家自然科學(xué)基金、國家重大專項、上海市科委科研計劃項目等的支持下，提出了高效的電磁和多物理仿真建模算法，自主研發(fā)仿真軟件，實現(xiàn)器件多物理、多功能自動化協(xié)同設(shè)計，并基于上述成果聯(lián)合建立了集成無源器件知識產(chǎn)權(quán)(IP)庫、研制了多款產(chǎn)品，已經(jīng)在移動通信、衛(wèi)星通訊和集成電路等多個領(lǐng)域取得推廣應(yīng)用，為中國在射頻EDA軟件領(lǐng)域打破國際封鎖做出了重要貢獻。

據(jù)毛院士介紹，他們與芯和半導(dǎo)體科技(上海)有限公司開展合作，共發(fā)布48款國產(chǎn)射頻EDA商用軟件工具，500種高精度PDK模型，而且他們與中芯國際工藝兼容的集成無源器件IP庫，已經(jīng)量產(chǎn)3.5億顆，基本實現(xiàn)了無源射頻集成電路EDA工具自主可控?，F(xiàn)在，這套合作研制的系列國產(chǎn)射頻EDA商用軟件，用于半導(dǎo)體、航空航天、雷達、通信、汽車等行業(yè)客戶200家，系統(tǒng)用戶包括中興、華為、聯(lián)想、富士康、華蘭、中電、中航等眾多公司，而且已經(jīng)實現(xiàn)對Cisco、Intel、IBM、Apple等國際著名公司的出口。

毛軍發(fā)院士也分享了4D手勢識別雷達、毫米波雷達麥克風(fēng)、生物學(xué)毫米波雷達、Wi波段異質(zhì)集成片上雷達、基于多層BCB工藝的單/雙通帶濾波器的最新進展。

他最后表示，未來5年研究目標(biāo)直指核心技術(shù)，包括EDA技術(shù)與軟件，包括模型反向構(gòu)建與多性能多功能協(xié)同技術(shù)、軟件可分析設(shè)計3層6種芯片異質(zhì)集成電路，可以驗證到325GHz。這些技術(shù)的突破將未來為移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、雷達探測等國家重大新基建和重要裝備研制提供自主核心技術(shù)支撐。未來10年研究目標(biāo)，包括把光電子和電子集成在一起，這個難度更大，我們也希望能夠突破異質(zhì)生長工藝，把軟件完全商業(yè)化。


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