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微系統(tǒng)(MEMS):創(chuàng)新研發(fā)合作模式
作者:工業(yè)和信息化部電子科技委專用裝備組
來(lái)源:中國(guó)電子報(bào)
日期:2010-07-16 08:44:19
摘要:微系統(tǒng):創(chuàng)新研發(fā)合作模式 建設(shè)良好生態(tài)環(huán)境,工業(yè)和信息化部電子科技委專用裝備組微系統(tǒng)原來(lái)是指MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)),是微電子技術(shù)從二維向三維發(fā)展。
工業(yè)和信息化部電子科技委專用裝備組
微系統(tǒng)原來(lái)是指MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)),是微電子技術(shù)從二維向三維發(fā)展的結(jié)果。兩種稱謂的內(nèi)涵相同,只是在歐洲被稱為微系統(tǒng),在美國(guó)被稱為MEMS,在日本則被稱為“微機(jī)器”。隨著MEMS技術(shù)與產(chǎn)品的不斷成熟和發(fā)展,又開(kāi)始從微電子向其他領(lǐng)域滲透擴(kuò)展。當(dāng)前,微系統(tǒng)是指“集成微系統(tǒng)”,微系統(tǒng)技術(shù)著重從微觀角度出發(fā),集成各種先進(jìn)技術(shù),以期實(shí)現(xiàn)功能突破。歐洲對(duì)微系統(tǒng)技術(shù)的定義是:兩類以上技術(shù)的微集成。集成微系統(tǒng)的概念是由美國(guó)在20世紀(jì)90年代末率先提出的,即采用異構(gòu)集成技術(shù)將微電子器件、光電子器件和MEMS器件整合集成在一起,開(kāi)發(fā)芯片級(jí)集成微系統(tǒng)。
微系統(tǒng)區(qū)別于微電子產(chǎn)品的最主要特征是“能看、能動(dòng)”,即不但擁有計(jì)算、存儲(chǔ)模塊,還新增了感知與執(zhí)行模塊,而且計(jì)算與存儲(chǔ)模塊的性能得到顯著提升。此外,再加上電源模塊和通信模塊,微系統(tǒng)將在未來(lái)成為功能完善、性能卓越、體積微小、成本低廉、應(yīng)用普及的智能型產(chǎn)品,市場(chǎng)前景廣闊,但也必然面臨激烈的全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。
微系統(tǒng)涉及微電子、光電子、MEMS、架構(gòu)、算法五方面的集成。微電子、光電子和MEMS器件是微系統(tǒng)的核心硬件,而架構(gòu)和算法是構(gòu)筑微系統(tǒng)的宏觀基礎(chǔ)。架構(gòu)需要綜合考慮微電子、光電子、微機(jī)械學(xué)科知識(shí),包括邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu),架構(gòu)是根據(jù)用戶核心需求敏捷設(shè)計(jì)出功能完善、結(jié)構(gòu)緊湊以及聲光電性能與幾何、質(zhì)量、機(jī)動(dòng)性能均衡的微系統(tǒng)的基礎(chǔ)。算法是優(yōu)化系統(tǒng)性能、提升系統(tǒng)智能化水平、具備二次開(kāi)發(fā)定制能力的基礎(chǔ)。
技術(shù)不斷提高
●目前我國(guó)微電子設(shè)計(jì)水平已進(jìn)入納米級(jí),并且也開(kāi)始涉及SoC的設(shè)計(jì)。我國(guó)MEMS正處于科研攻關(guān)與小批量生產(chǎn)階段。
●今后光電子集成電路將繼續(xù)沿著高速、高可靠、小型、多功能、提高集成度、降低成本等方向發(fā)展。
美國(guó)將微系統(tǒng)作為核心技術(shù)之一來(lái)重點(diǎn)發(fā)展。目前,國(guó)外在器件級(jí)和模塊級(jí)、系統(tǒng)小型化技術(shù)方面已經(jīng)取得不少成果,但在系統(tǒng)微型化、系統(tǒng)工程化制造工藝方面仍處于技術(shù)攻關(guān)階段。微系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要以現(xiàn)有微電子、MEMS的設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)為基礎(chǔ),增強(qiáng)異構(gòu)工藝兼容設(shè)計(jì)能力,并向納米尺度的設(shè)計(jì)水平發(fā)展。
目前,我國(guó)已在不同層面對(duì)微系統(tǒng)開(kāi)展了多個(gè)領(lǐng)域的研究。我國(guó)在片上系統(tǒng)(SoC)、系統(tǒng)封裝(SiP)、微波毫米波單片集成電路(MIMIC)、紅外焦平面探測(cè)陣列組件(1RFPA)、低溫共燒陶瓷組件(LTCC)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等方面都在努力攻關(guān)并已經(jīng)取得不同程度和水平的重要成果,這些都為微系統(tǒng)的研究提供了器件和工藝技術(shù)基礎(chǔ)。
近幾年,在國(guó)家相關(guān)政策的大力支持下,國(guó)內(nèi)硅基微電子技術(shù)水平不斷提高,與國(guó)際先進(jìn)水平的距離逐漸縮小。總體來(lái)看,當(dāng)前我國(guó)硅基微電子技術(shù)有以下特點(diǎn):
第一,超深亞微米集成技術(shù)研究逐漸接近國(guó)際先進(jìn)水平。由于多方面的原因,我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究工作長(zhǎng)期處于劣勢(shì),不能與國(guó)際先進(jìn)水平相提并論。在“863”及科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持下,微電子基礎(chǔ)條件較好的單位率先開(kāi)展了面向超深亞微米集成技術(shù)的研究,在新型器件結(jié)構(gòu)和器件模型等方面的研究取得了一定的進(jìn)展。在國(guó)內(nèi)首次完成了亞30納米CMOS器件及關(guān)鍵工藝技術(shù)研究,研制完成了27納米CMOS器件,在指標(biāo)方面已接近國(guó)際先進(jìn)水平,為我國(guó)微電子向亞50納米集成技術(shù)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
第二,集成電路設(shè)計(jì)水平提高,規(guī)模擴(kuò)大。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展,芯片設(shè)計(jì)水平明顯提高,目前自主設(shè)計(jì)的芯片產(chǎn)品已涉及CPU、數(shù)字信號(hào)處理器、高檔IC卡、數(shù)字電視和多媒體、3G手機(jī)以及信息安全等6大領(lǐng)域。IC設(shè)計(jì)水平達(dá)到0.13微米、90納米、65納米,在具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)核心芯片的開(kāi)發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化方面也取得了可觀的突破,逐漸從以往的“低端模仿”走向以技術(shù)創(chuàng)新為主的“高端替代”。
第三,微電子材料和基礎(chǔ)制造設(shè)備研究進(jìn)步明顯。在微電子單晶硅材料制造設(shè)備方面,達(dá)到了國(guó)內(nèi)主流工藝水平的要求,接近國(guó)際先進(jìn)水平,微電子關(guān)鍵制造設(shè)備的研究取得了突破性的進(jìn)展。
總之,微電子技術(shù)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)展速度最快的技術(shù)之一,目前我國(guó)微電子設(shè)計(jì)水平已進(jìn)入納米級(jí),并且也開(kāi)始涉及SoC的設(shè)計(jì)。
在國(guó)內(nèi)光電子技術(shù)方面,目前單片光電子集成器件產(chǎn)品還不多,大多還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,而且主要是光集成器件如波分復(fù)用系統(tǒng)用的多波長(zhǎng)集成陣列光源、多路光接收機(jī)、可調(diào)波長(zhǎng)光源、集成光收發(fā)機(jī)以及用于光存儲(chǔ)的集成光斑尺寸變換激光器等。今后光電子集成電路將繼續(xù)沿著高速、高可靠、小型、多功能、提高集成度、降低成本等方向發(fā)展。隨著材料技術(shù)與工藝技術(shù)的進(jìn)一步突破,單片光電子集成器件產(chǎn)品大量涌現(xiàn)的日子已為期不遠(yuǎn)。
國(guó)際MEMS器件經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展,已經(jīng)形成多門類的產(chǎn)品系列和數(shù)以十億美元計(jì)的市場(chǎng)規(guī)模,它們可用作壓力傳感器、加速度計(jì)、陀螺等。目前,我國(guó)MEMS正處于科研攻關(guān)與小批量生產(chǎn)階段,其中,由不動(dòng)的部件構(gòu)成的MEMS已形成批量生產(chǎn),如RF濾波器、壓力傳感器等;具有可動(dòng)部件的MEMS如微陀螺等暫時(shí)還處于科研攻關(guān)階段。
隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展,采用該技術(shù)的微機(jī)電傳感器研發(fā)事業(yè)正在壯大。由于MEMS技術(shù)的引入,在微米/納米尺度上微機(jī)理作用突顯,傳感器的相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)則也發(fā)生了變化。這其中包括微機(jī)械應(yīng)力的獲取規(guī)則、微小電容檢測(cè)的規(guī)則、溫度漂移的引入規(guī)則等。同時(shí),在MEMS執(zhí)行器方面,也出現(xiàn)了諸如靜電驅(qū)動(dòng)深寬比法則、驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性條件等十分重要的問(wèn)題。這些問(wèn)題在宏觀機(jī)械領(lǐng)域起的作用不大,因而沒(méi)有受到很大重視,需要在研發(fā)MEMS傳感器技術(shù)的同時(shí)逐步加以解決。
存在四大問(wèn)題
●我們需要在MEMS與微電子結(jié)合方面深入研究,力爭(zhēng)自主創(chuàng)新工藝標(biāo)準(zhǔn),開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米級(jí)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。
●需要形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、力量整合、產(chǎn)業(yè)鏈完整、富有“基礎(chǔ)創(chuàng)新”和“原始創(chuàng)新”動(dòng)力的產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合“生態(tài)系統(tǒng)”。
雖然我們?cè)谖⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)具備一定基礎(chǔ),但是仍存在以下四方面的問(wèn)題:
第一,存在微電子和MEMS設(shè)計(jì)落后的問(wèn)題。由于微系統(tǒng)是異構(gòu)技術(shù)的集成系統(tǒng),因此某類技術(shù)的設(shè)計(jì)能力不足自然成為制約微系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的一大因素。例如納米尺度的微電子和MEMS設(shè)計(jì)能力不足,先進(jìn)軟件設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)依賴國(guó)外產(chǎn)品,導(dǎo)致我們?cè)谧灾鏖_(kāi)發(fā)具有多模多接口的MEMS軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)(納米尺度)時(shí)存在困難。此外,先進(jìn)微電子制造工藝是我國(guó)的弱項(xiàng),利用微電子技術(shù)形成MEMS加工線也成為微系統(tǒng)研究的另一瓶頸,使我們?cè)谖⑾到y(tǒng)器件的大規(guī)模制造方面仍然落后。因此,我們需要在MEMS與微電子結(jié)合方面深入研究,力爭(zhēng)自主創(chuàng)新工藝標(biāo)準(zhǔn),開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米級(jí)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。
第二,需求的超前探索和系統(tǒng)性研究不夠。國(guó)內(nèi)正處于需求突破的前夜,未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)、信息、航天、航空等領(lǐng)域?qū)ξ⑾到y(tǒng)的需求很強(qiáng)烈。雖然需求旺盛,但大多“參照國(guó)外”,沒(méi)有形成系統(tǒng)性的需求牽引。這樣容易導(dǎo)致我國(guó)的微系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)在功能和性能上落后于國(guó)外一段時(shí)間,而這段時(shí)間差又容易導(dǎo)致國(guó)外微系統(tǒng)產(chǎn)品搶先占領(lǐng)市場(chǎng),使國(guó)產(chǎn)微系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)失去市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,可能重現(xiàn)微電子時(shí)代的被動(dòng)局面。
第三,基礎(chǔ)科研能力不足?;A(chǔ)科研能力不足是我國(guó)長(zhǎng)期面臨的問(wèn)題,因此需要以重大專項(xiàng)的成果為基礎(chǔ),繼續(xù)加快微系統(tǒng)研發(fā)方面的基礎(chǔ)科研能力的提升,以各種措施和手段從根本上提高我國(guó)微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體水平。
第四,推動(dòng)微系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的“生態(tài)系統(tǒng)”模式建設(shè)。微系統(tǒng)研究的成本非常高,項(xiàng)目投資風(fēng)險(xiǎn)大,資金的籌措和合理運(yùn)用以及成果轉(zhuǎn)化尤其重要,因此需要形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、力量整合、產(chǎn)業(yè)鏈完整、富有“基礎(chǔ)創(chuàng)新”和“原始創(chuàng)新”動(dòng)力的產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合“生態(tài)系統(tǒng)”(共同投資、共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)、通力合作、成果共享)。而我國(guó)在這方面與國(guó)外差距較大,難以適應(yīng)未來(lái)微系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程中將要面臨的激烈國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的形勢(shì)。
以設(shè)計(jì)帶動(dòng)整體發(fā)展
●一方面需要重點(diǎn)圍繞微系統(tǒng)“設(shè)計(jì)”開(kāi)展突破性研究,另一方面也要加強(qiáng)制造工藝的研究。
●建議超前部署微系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究,結(jié)合我國(guó)國(guó)情系統(tǒng)性地開(kāi)展需求研究,突破一系列關(guān)鍵技術(shù)后,大力發(fā)展微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。
我國(guó)在微系統(tǒng)研究領(lǐng)域雖然已經(jīng)取得一定成果,但材料、制造工藝水平落后是必須面對(duì)的問(wèn)題。因此,我們一方面需要重點(diǎn)圍繞微系統(tǒng)“設(shè)計(jì)”開(kāi)展突破性研究,在設(shè)計(jì)技術(shù)(尤其是三維異構(gòu)設(shè)計(jì))上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng),在全球微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的中游占據(jù)有利位置,逐步帶動(dòng)上游材料、制造工藝水平的發(fā)展和下游系統(tǒng)與整機(jī)研制水平的提高,最終形成材料、設(shè)計(jì)、制造、系統(tǒng)研發(fā)的全面技術(shù)優(yōu)勢(shì)。另一方面也要加強(qiáng)制造工藝的研究。因?yàn)橹挥兄圃旃に囁降玫教嵘?,使之接近發(fā)達(dá)國(guó)家水平,才能真正做好納米尺度的物理設(shè)計(jì),反過(guò)來(lái)大幅度提高我國(guó)的微系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平。
此外,應(yīng)優(yōu)先按照后摩爾定律發(fā)展。由于后摩爾定律是微系統(tǒng)發(fā)展的主導(dǎo)定律,因此微系統(tǒng)設(shè)計(jì)要以支持“功能翻番”為基本原則,尤其是在“尺度縮小”方面相對(duì)落后二代的現(xiàn)實(shí)下,這符合我國(guó)當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平現(xiàn)狀和用戶實(shí)際需求。以在“功能翻番”方面的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)“尺度縮小”方面的技術(shù)差距,帶動(dòng)納米尺度微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展,努力實(shí)現(xiàn)“功能翻番”和“尺度縮小”的復(fù)合發(fā)展。
適時(shí)向納米尺度設(shè)計(jì)發(fā)展。雖然建議優(yōu)先按照后摩爾定律發(fā)展,與國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手開(kāi)展“差異化”競(jìng)爭(zhēng),但是國(guó)外企業(yè)勢(shì)必也會(huì)在這方面做出很多努力,通過(guò)不斷的“本土化”策略來(lái)縮小與中國(guó)企業(yè)在這方面的差距。因此,在我們還保持這個(gè)優(yōu)勢(shì)的時(shí)間段內(nèi),需要加快向“納米尺度設(shè)計(jì)”發(fā)展的步伐。
重點(diǎn)突破,典型示范。微系統(tǒng)在很多方向都具有高價(jià)值的應(yīng)用前景,但結(jié)合我國(guó)技術(shù)發(fā)展水平和近5年的現(xiàn)實(shí)需求,應(yīng)該有選擇、有重點(diǎn)地開(kāi)展技術(shù)突破。
尋求商業(yè)模式的創(chuàng)新。商業(yè)模式對(duì)于新興技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要,合適的商業(yè)模式能夠加速其發(fā)展,而不恰當(dāng)?shù)纳虡I(yè)模式則會(huì)阻礙甚至扼殺新技術(shù)和產(chǎn)品。
因此,建議超前部署微系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究,結(jié)合我國(guó)國(guó)情系統(tǒng)性地開(kāi)展需求研究,突破一系列關(guān)鍵技術(shù)后,大力發(fā)展微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。
后摩爾定律將推動(dòng)設(shè)計(jì)革新
●后摩爾定律的內(nèi)涵是“功能翻番”。企業(yè)不必一味追求系統(tǒng)“特征尺寸的縮小”,而要以“功能翻番”作為新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。
●隨著三維集成技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)的微系統(tǒng)產(chǎn)品將在體積與重量、性能、智能化水平方面取得巨大進(jìn)步。
自摩爾定律首次預(yù)測(cè)硅片上晶體管的數(shù)量每18個(gè)月翻一番以來(lái),制造商一直追求的都是生產(chǎn)力收益。這一巨大的生產(chǎn)力收益成就了今天我們隨處可見(jiàn)的電子應(yīng)用,但是隨著晶體管的密度增加,開(kāi)發(fā)相應(yīng)生產(chǎn)工藝的成本也隨之增加。結(jié)果是,實(shí)現(xiàn)“特征尺寸最小”的CMOS技術(shù)也成為最昂貴的CMOS技術(shù),尺寸與經(jīng)濟(jì)的平衡點(diǎn)即將被打破。
后摩爾定律的內(nèi)涵是“功能翻番”。按照后摩爾定律,企業(yè)不必一味追求系統(tǒng)“特征尺寸的縮小”,而要以“功能的翻番”、“為用戶提供高附加值服務(wù)”作為新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。
遵循“后摩爾定律”的規(guī)律,將RF器件、功率管理系統(tǒng)、生物芯片、傳感器及MEMS等和信號(hào)處理器、存儲(chǔ)芯片用SoC和SIP系統(tǒng)集成,以得到功能的大幅提高。將CMOS技術(shù)與混合集成技術(shù)相結(jié)合無(wú)疑會(huì)為消費(fèi)者帶來(lái)更多的價(jià)值。這些技術(shù)的融合與轉(zhuǎn)變還將影響微系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、建模和特性以及系統(tǒng)架構(gòu)。最終,現(xiàn)有的聯(lián)合研發(fā)模式將發(fā)生改變,新的生態(tài)系統(tǒng)將形成(供應(yīng)鏈將變得更加復(fù)雜,但也存在新的機(jī)會(huì))。
三維集成技術(shù)將成為主流。三維集成技術(shù)可以解決兩個(gè)非常重要的核心問(wèn)題:一是發(fā)展摩爾定律,實(shí)現(xiàn)晶體管密度的翻番和芯片性能的提升,只有3D的IC才能超越摩爾定律;二是實(shí)現(xiàn)后摩爾定律追求的功能翻番——— 將異構(gòu)器件/模塊集成。
預(yù)測(cè)到2016年前后,將批量生產(chǎn)22納米的集成電路,追求特征尺寸縮小的速度會(huì)減慢,因利用先進(jìn)CMOS技術(shù)開(kāi)發(fā)SoC的成本飛漲,而是更多采用三維集成技術(shù)向立體空間發(fā)展,一方面增加晶體管密度,提高微電子產(chǎn)品性能;另一方面將異構(gòu)器件/模塊集成,實(shí)現(xiàn)功能多樣化,促進(jìn)微系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展。
從幾何學(xué)角度看,三維集成是指為了提高密度、性能和可靠性,在晶圓的水平和垂直方向繼續(xù)縮小特征尺寸,還包括與此相關(guān)的3D結(jié)構(gòu)改善等非幾何學(xué)工藝技術(shù)以及運(yùn)用新材料改善晶圓的電性能。
隨著三維集成技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)的微系統(tǒng)產(chǎn)品將在體積與重量、性能、智能化水平方面取得巨大進(jìn)步。
微系統(tǒng)設(shè)計(jì)向納米尺度發(fā)展。1納米相當(dāng)于兩個(gè)原子的寬度,應(yīng)用納米技術(shù)不僅是希望把產(chǎn)品做得“更小”,而是要超越硅技術(shù),取得更好的電磁性能等方面的特性。當(dāng)前的芯片正在向100微米以下的厚度發(fā)展,更加輕薄,即可以在一塊基板上集成更多芯片以實(shí)現(xiàn)更多的功能,同時(shí)散熱性、可靠性都大大提高。
與生物和新材料技術(shù)相結(jié)合。通過(guò)開(kāi)發(fā)從生活系統(tǒng)中獲得靈感的材料、工藝和設(shè)計(jì),開(kāi)發(fā)具有自主性和適應(yīng)性的新系統(tǒng)。
與信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化。未來(lái)微系統(tǒng)與大系統(tǒng)之間的形態(tài)界限將趨于模糊,但邏輯界限會(huì)越來(lái)越清晰,實(shí)現(xiàn)一體化是必然結(jié)果。隨著民用物聯(lián)網(wǎng)和軍用信息基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展完善,微系統(tǒng)勢(shì)必向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息系統(tǒng)一體化方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)自組織、自主活動(dòng)、人為遠(yuǎn)程遙控。
創(chuàng)新研發(fā)合作模式
●需要由國(guó)家出面制定微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃技術(shù)發(fā)展路線圖,超前部署微系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究。
●企業(yè)的創(chuàng)新方向?qū)⑹菫橛脩袅可碛喼乒δ芏鄻踊漠a(chǎn)品,為用戶提供高附加值的增值服務(wù)。
微系統(tǒng)技術(shù)是包含多種交叉學(xué)科的高、精、尖技術(shù),其研究水平在一定程度上反映出國(guó)家的基礎(chǔ)科研水平,各國(guó)都在競(jìng)相發(fā)展,我國(guó)絕不能落后。為促進(jìn)微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展,提出五點(diǎn)對(duì)策建議。
第一,組織落實(shí),調(diào)整結(jié)構(gòu)。作為基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè),我們必須給予高度重視,需要由國(guó)家出面組織力量建立多層次、經(jīng)?;慕涣餮杏憴C(jī)制,長(zhǎng)期、反復(fù)科學(xué)論證,制定微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃技術(shù)發(fā)展路線圖,超前部署微系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究。并考慮打破傳統(tǒng)的專業(yè)分工限制,使元器件研制、系統(tǒng)研制、軟件研發(fā)等單位能夠共同參與微系統(tǒng)研發(fā),優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),力量整合。
第二,集中資源,加大投入力度。統(tǒng)一科研規(guī)劃,凝練一批重大工程項(xiàng)目,加強(qiáng)微系統(tǒng)研發(fā)能力的建設(shè)。
第三,創(chuàng)新微系統(tǒng)研發(fā)的合作模式。微系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密相關(guān)、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、能看能動(dòng)的“系統(tǒng)”,因此需要系統(tǒng)或整機(jī)研制單位、軟件研發(fā)單位、元器件研制單位強(qiáng)強(qiáng)合作、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),共同攻關(guān)這一前沿交叉學(xué)科。
第四,重點(diǎn)培育具有創(chuàng)新能力的企業(yè)。無(wú)論是微電子產(chǎn)業(yè)還是微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè),發(fā)展壯大的規(guī)則都是“創(chuàng)新”。只不過(guò)創(chuàng)新的大方向有所改變,以前微電子產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新方向是遵循摩爾定律的“尺度不斷縮小”,但這使得研發(fā)成本持續(xù)攀高,在達(dá)到22納米制程時(shí)將達(dá)到經(jīng)濟(jì)性平衡點(diǎn)。未來(lái)需要依據(jù)新的規(guī)則,引爆新的增長(zhǎng)點(diǎn),創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。依據(jù)后摩爾定律發(fā)展的微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將蓬勃發(fā)展,屆時(shí)企業(yè)的創(chuàng)新方向?qū)⑹菫橛脩袅可碛喼乒δ芏鄻踊漠a(chǎn)品,為用戶提供高附加值的增值服務(wù)。
企業(yè)是推動(dòng)微系統(tǒng)工程化、產(chǎn)業(yè)化的主力。因此,對(duì)于那些通過(guò)對(duì)現(xiàn)有及新興技術(shù)有創(chuàng)意的結(jié)合(實(shí)現(xiàn)異構(gòu)器件/模塊的三維集成)、為客戶量身訂制智能解決方案、有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的企業(yè),一定要重點(diǎn)培育,通過(guò)各種途徑幫助他們降低研發(fā)成本,加快產(chǎn)品上市時(shí)間,以使他們創(chuàng)造可觀的利潤(rùn)并逐步擴(kuò)大市場(chǎng)份額。這不僅會(huì)使這些公司受益,最終會(huì)使整個(gè)社會(huì)受益。
第五,加強(qiáng)領(lǐng)軍人才的引進(jìn)與培養(yǎng)??萍嫉母驹谌瞬牛瞬攀强萍及l(fā)展的首要資源、是科技創(chuàng)新的第一能力要素。微系統(tǒng)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展更加迫切地需要高層次的領(lǐng)軍人才。面對(duì)復(fù)雜的國(guó)際國(guó)內(nèi)形勢(shì),唯有堅(jiān)定不移地實(shí)施人才戰(zhàn)略,發(fā)揮我國(guó)人才資源豐富的潛在優(yōu)勢(shì),走依靠人才、特別是核心人才提升我國(guó)高科技信息電子工業(yè)能力建設(shè)的道路,才是我們的必然選擇。
因此,我們建議要加強(qiáng)與高校和研究院所的聯(lián)合,開(kāi)展多種形式如委培、聯(lián)合招生、提供實(shí)驗(yàn)手段等方式的聯(lián)合培養(yǎng),促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用一條龍式發(fā)展,更快地使研究的成果投入試用,發(fā)揮更大的效果。
(本文摘自工業(yè)和信息化部電子科技委專用裝備組《微系統(tǒng)總體發(fā)展研究》報(bào)告)
微系統(tǒng)原來(lái)是指MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)),是微電子技術(shù)從二維向三維發(fā)展的結(jié)果。兩種稱謂的內(nèi)涵相同,只是在歐洲被稱為微系統(tǒng),在美國(guó)被稱為MEMS,在日本則被稱為“微機(jī)器”。隨著MEMS技術(shù)與產(chǎn)品的不斷成熟和發(fā)展,又開(kāi)始從微電子向其他領(lǐng)域滲透擴(kuò)展。當(dāng)前,微系統(tǒng)是指“集成微系統(tǒng)”,微系統(tǒng)技術(shù)著重從微觀角度出發(fā),集成各種先進(jìn)技術(shù),以期實(shí)現(xiàn)功能突破。歐洲對(duì)微系統(tǒng)技術(shù)的定義是:兩類以上技術(shù)的微集成。集成微系統(tǒng)的概念是由美國(guó)在20世紀(jì)90年代末率先提出的,即采用異構(gòu)集成技術(shù)將微電子器件、光電子器件和MEMS器件整合集成在一起,開(kāi)發(fā)芯片級(jí)集成微系統(tǒng)。
微系統(tǒng)區(qū)別于微電子產(chǎn)品的最主要特征是“能看、能動(dòng)”,即不但擁有計(jì)算、存儲(chǔ)模塊,還新增了感知與執(zhí)行模塊,而且計(jì)算與存儲(chǔ)模塊的性能得到顯著提升。此外,再加上電源模塊和通信模塊,微系統(tǒng)將在未來(lái)成為功能完善、性能卓越、體積微小、成本低廉、應(yīng)用普及的智能型產(chǎn)品,市場(chǎng)前景廣闊,但也必然面臨激烈的全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。
微系統(tǒng)涉及微電子、光電子、MEMS、架構(gòu)、算法五方面的集成。微電子、光電子和MEMS器件是微系統(tǒng)的核心硬件,而架構(gòu)和算法是構(gòu)筑微系統(tǒng)的宏觀基礎(chǔ)。架構(gòu)需要綜合考慮微電子、光電子、微機(jī)械學(xué)科知識(shí),包括邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu),架構(gòu)是根據(jù)用戶核心需求敏捷設(shè)計(jì)出功能完善、結(jié)構(gòu)緊湊以及聲光電性能與幾何、質(zhì)量、機(jī)動(dòng)性能均衡的微系統(tǒng)的基礎(chǔ)。算法是優(yōu)化系統(tǒng)性能、提升系統(tǒng)智能化水平、具備二次開(kāi)發(fā)定制能力的基礎(chǔ)。
技術(shù)不斷提高
●目前我國(guó)微電子設(shè)計(jì)水平已進(jìn)入納米級(jí),并且也開(kāi)始涉及SoC的設(shè)計(jì)。我國(guó)MEMS正處于科研攻關(guān)與小批量生產(chǎn)階段。
●今后光電子集成電路將繼續(xù)沿著高速、高可靠、小型、多功能、提高集成度、降低成本等方向發(fā)展。
美國(guó)將微系統(tǒng)作為核心技術(shù)之一來(lái)重點(diǎn)發(fā)展。目前,國(guó)外在器件級(jí)和模塊級(jí)、系統(tǒng)小型化技術(shù)方面已經(jīng)取得不少成果,但在系統(tǒng)微型化、系統(tǒng)工程化制造工藝方面仍處于技術(shù)攻關(guān)階段。微系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要以現(xiàn)有微電子、MEMS的設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)為基礎(chǔ),增強(qiáng)異構(gòu)工藝兼容設(shè)計(jì)能力,并向納米尺度的設(shè)計(jì)水平發(fā)展。
目前,我國(guó)已在不同層面對(duì)微系統(tǒng)開(kāi)展了多個(gè)領(lǐng)域的研究。我國(guó)在片上系統(tǒng)(SoC)、系統(tǒng)封裝(SiP)、微波毫米波單片集成電路(MIMIC)、紅外焦平面探測(cè)陣列組件(1RFPA)、低溫共燒陶瓷組件(LTCC)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等方面都在努力攻關(guān)并已經(jīng)取得不同程度和水平的重要成果,這些都為微系統(tǒng)的研究提供了器件和工藝技術(shù)基礎(chǔ)。
近幾年,在國(guó)家相關(guān)政策的大力支持下,國(guó)內(nèi)硅基微電子技術(shù)水平不斷提高,與國(guó)際先進(jìn)水平的距離逐漸縮小。總體來(lái)看,當(dāng)前我國(guó)硅基微電子技術(shù)有以下特點(diǎn):
第一,超深亞微米集成技術(shù)研究逐漸接近國(guó)際先進(jìn)水平。由于多方面的原因,我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究工作長(zhǎng)期處于劣勢(shì),不能與國(guó)際先進(jìn)水平相提并論。在“863”及科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持下,微電子基礎(chǔ)條件較好的單位率先開(kāi)展了面向超深亞微米集成技術(shù)的研究,在新型器件結(jié)構(gòu)和器件模型等方面的研究取得了一定的進(jìn)展。在國(guó)內(nèi)首次完成了亞30納米CMOS器件及關(guān)鍵工藝技術(shù)研究,研制完成了27納米CMOS器件,在指標(biāo)方面已接近國(guó)際先進(jìn)水平,為我國(guó)微電子向亞50納米集成技術(shù)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
第二,集成電路設(shè)計(jì)水平提高,規(guī)模擴(kuò)大。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展,芯片設(shè)計(jì)水平明顯提高,目前自主設(shè)計(jì)的芯片產(chǎn)品已涉及CPU、數(shù)字信號(hào)處理器、高檔IC卡、數(shù)字電視和多媒體、3G手機(jī)以及信息安全等6大領(lǐng)域。IC設(shè)計(jì)水平達(dá)到0.13微米、90納米、65納米,在具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)核心芯片的開(kāi)發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化方面也取得了可觀的突破,逐漸從以往的“低端模仿”走向以技術(shù)創(chuàng)新為主的“高端替代”。
第三,微電子材料和基礎(chǔ)制造設(shè)備研究進(jìn)步明顯。在微電子單晶硅材料制造設(shè)備方面,達(dá)到了國(guó)內(nèi)主流工藝水平的要求,接近國(guó)際先進(jìn)水平,微電子關(guān)鍵制造設(shè)備的研究取得了突破性的進(jìn)展。
總之,微電子技術(shù)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)展速度最快的技術(shù)之一,目前我國(guó)微電子設(shè)計(jì)水平已進(jìn)入納米級(jí),并且也開(kāi)始涉及SoC的設(shè)計(jì)。
在國(guó)內(nèi)光電子技術(shù)方面,目前單片光電子集成器件產(chǎn)品還不多,大多還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,而且主要是光集成器件如波分復(fù)用系統(tǒng)用的多波長(zhǎng)集成陣列光源、多路光接收機(jī)、可調(diào)波長(zhǎng)光源、集成光收發(fā)機(jī)以及用于光存儲(chǔ)的集成光斑尺寸變換激光器等。今后光電子集成電路將繼續(xù)沿著高速、高可靠、小型、多功能、提高集成度、降低成本等方向發(fā)展。隨著材料技術(shù)與工藝技術(shù)的進(jìn)一步突破,單片光電子集成器件產(chǎn)品大量涌現(xiàn)的日子已為期不遠(yuǎn)。
國(guó)際MEMS器件經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展,已經(jīng)形成多門類的產(chǎn)品系列和數(shù)以十億美元計(jì)的市場(chǎng)規(guī)模,它們可用作壓力傳感器、加速度計(jì)、陀螺等。目前,我國(guó)MEMS正處于科研攻關(guān)與小批量生產(chǎn)階段,其中,由不動(dòng)的部件構(gòu)成的MEMS已形成批量生產(chǎn),如RF濾波器、壓力傳感器等;具有可動(dòng)部件的MEMS如微陀螺等暫時(shí)還處于科研攻關(guān)階段。
隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展,采用該技術(shù)的微機(jī)電傳感器研發(fā)事業(yè)正在壯大。由于MEMS技術(shù)的引入,在微米/納米尺度上微機(jī)理作用突顯,傳感器的相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)則也發(fā)生了變化。這其中包括微機(jī)械應(yīng)力的獲取規(guī)則、微小電容檢測(cè)的規(guī)則、溫度漂移的引入規(guī)則等。同時(shí),在MEMS執(zhí)行器方面,也出現(xiàn)了諸如靜電驅(qū)動(dòng)深寬比法則、驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性條件等十分重要的問(wèn)題。這些問(wèn)題在宏觀機(jī)械領(lǐng)域起的作用不大,因而沒(méi)有受到很大重視,需要在研發(fā)MEMS傳感器技術(shù)的同時(shí)逐步加以解決。
存在四大問(wèn)題
●我們需要在MEMS與微電子結(jié)合方面深入研究,力爭(zhēng)自主創(chuàng)新工藝標(biāo)準(zhǔn),開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米級(jí)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。
●需要形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、力量整合、產(chǎn)業(yè)鏈完整、富有“基礎(chǔ)創(chuàng)新”和“原始創(chuàng)新”動(dòng)力的產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合“生態(tài)系統(tǒng)”。
雖然我們?cè)谖⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)具備一定基礎(chǔ),但是仍存在以下四方面的問(wèn)題:
第一,存在微電子和MEMS設(shè)計(jì)落后的問(wèn)題。由于微系統(tǒng)是異構(gòu)技術(shù)的集成系統(tǒng),因此某類技術(shù)的設(shè)計(jì)能力不足自然成為制約微系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的一大因素。例如納米尺度的微電子和MEMS設(shè)計(jì)能力不足,先進(jìn)軟件設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)依賴國(guó)外產(chǎn)品,導(dǎo)致我們?cè)谧灾鏖_(kāi)發(fā)具有多模多接口的MEMS軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)(納米尺度)時(shí)存在困難。此外,先進(jìn)微電子制造工藝是我國(guó)的弱項(xiàng),利用微電子技術(shù)形成MEMS加工線也成為微系統(tǒng)研究的另一瓶頸,使我們?cè)谖⑾到y(tǒng)器件的大規(guī)模制造方面仍然落后。因此,我們需要在MEMS與微電子結(jié)合方面深入研究,力爭(zhēng)自主創(chuàng)新工藝標(biāo)準(zhǔn),開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米級(jí)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。
第二,需求的超前探索和系統(tǒng)性研究不夠。國(guó)內(nèi)正處于需求突破的前夜,未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)、信息、航天、航空等領(lǐng)域?qū)ξ⑾到y(tǒng)的需求很強(qiáng)烈。雖然需求旺盛,但大多“參照國(guó)外”,沒(méi)有形成系統(tǒng)性的需求牽引。這樣容易導(dǎo)致我國(guó)的微系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)在功能和性能上落后于國(guó)外一段時(shí)間,而這段時(shí)間差又容易導(dǎo)致國(guó)外微系統(tǒng)產(chǎn)品搶先占領(lǐng)市場(chǎng),使國(guó)產(chǎn)微系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)失去市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,可能重現(xiàn)微電子時(shí)代的被動(dòng)局面。
第三,基礎(chǔ)科研能力不足?;A(chǔ)科研能力不足是我國(guó)長(zhǎng)期面臨的問(wèn)題,因此需要以重大專項(xiàng)的成果為基礎(chǔ),繼續(xù)加快微系統(tǒng)研發(fā)方面的基礎(chǔ)科研能力的提升,以各種措施和手段從根本上提高我國(guó)微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體水平。
第四,推動(dòng)微系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的“生態(tài)系統(tǒng)”模式建設(shè)。微系統(tǒng)研究的成本非常高,項(xiàng)目投資風(fēng)險(xiǎn)大,資金的籌措和合理運(yùn)用以及成果轉(zhuǎn)化尤其重要,因此需要形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、力量整合、產(chǎn)業(yè)鏈完整、富有“基礎(chǔ)創(chuàng)新”和“原始創(chuàng)新”動(dòng)力的產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合“生態(tài)系統(tǒng)”(共同投資、共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)、通力合作、成果共享)。而我國(guó)在這方面與國(guó)外差距較大,難以適應(yīng)未來(lái)微系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程中將要面臨的激烈國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的形勢(shì)。
以設(shè)計(jì)帶動(dòng)整體發(fā)展
●一方面需要重點(diǎn)圍繞微系統(tǒng)“設(shè)計(jì)”開(kāi)展突破性研究,另一方面也要加強(qiáng)制造工藝的研究。
●建議超前部署微系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究,結(jié)合我國(guó)國(guó)情系統(tǒng)性地開(kāi)展需求研究,突破一系列關(guān)鍵技術(shù)后,大力發(fā)展微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。
我國(guó)在微系統(tǒng)研究領(lǐng)域雖然已經(jīng)取得一定成果,但材料、制造工藝水平落后是必須面對(duì)的問(wèn)題。因此,我們一方面需要重點(diǎn)圍繞微系統(tǒng)“設(shè)計(jì)”開(kāi)展突破性研究,在設(shè)計(jì)技術(shù)(尤其是三維異構(gòu)設(shè)計(jì))上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng),在全球微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的中游占據(jù)有利位置,逐步帶動(dòng)上游材料、制造工藝水平的發(fā)展和下游系統(tǒng)與整機(jī)研制水平的提高,最終形成材料、設(shè)計(jì)、制造、系統(tǒng)研發(fā)的全面技術(shù)優(yōu)勢(shì)。另一方面也要加強(qiáng)制造工藝的研究。因?yàn)橹挥兄圃旃に囁降玫教嵘?,使之接近發(fā)達(dá)國(guó)家水平,才能真正做好納米尺度的物理設(shè)計(jì),反過(guò)來(lái)大幅度提高我國(guó)的微系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平。
此外,應(yīng)優(yōu)先按照后摩爾定律發(fā)展。由于后摩爾定律是微系統(tǒng)發(fā)展的主導(dǎo)定律,因此微系統(tǒng)設(shè)計(jì)要以支持“功能翻番”為基本原則,尤其是在“尺度縮小”方面相對(duì)落后二代的現(xiàn)實(shí)下,這符合我國(guó)當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平現(xiàn)狀和用戶實(shí)際需求。以在“功能翻番”方面的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)“尺度縮小”方面的技術(shù)差距,帶動(dòng)納米尺度微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展,努力實(shí)現(xiàn)“功能翻番”和“尺度縮小”的復(fù)合發(fā)展。
適時(shí)向納米尺度設(shè)計(jì)發(fā)展。雖然建議優(yōu)先按照后摩爾定律發(fā)展,與國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手開(kāi)展“差異化”競(jìng)爭(zhēng),但是國(guó)外企業(yè)勢(shì)必也會(huì)在這方面做出很多努力,通過(guò)不斷的“本土化”策略來(lái)縮小與中國(guó)企業(yè)在這方面的差距。因此,在我們還保持這個(gè)優(yōu)勢(shì)的時(shí)間段內(nèi),需要加快向“納米尺度設(shè)計(jì)”發(fā)展的步伐。
重點(diǎn)突破,典型示范。微系統(tǒng)在很多方向都具有高價(jià)值的應(yīng)用前景,但結(jié)合我國(guó)技術(shù)發(fā)展水平和近5年的現(xiàn)實(shí)需求,應(yīng)該有選擇、有重點(diǎn)地開(kāi)展技術(shù)突破。
尋求商業(yè)模式的創(chuàng)新。商業(yè)模式對(duì)于新興技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要,合適的商業(yè)模式能夠加速其發(fā)展,而不恰當(dāng)?shù)纳虡I(yè)模式則會(huì)阻礙甚至扼殺新技術(shù)和產(chǎn)品。
因此,建議超前部署微系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究,結(jié)合我國(guó)國(guó)情系統(tǒng)性地開(kāi)展需求研究,突破一系列關(guān)鍵技術(shù)后,大力發(fā)展微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。
后摩爾定律將推動(dòng)設(shè)計(jì)革新
●后摩爾定律的內(nèi)涵是“功能翻番”。企業(yè)不必一味追求系統(tǒng)“特征尺寸的縮小”,而要以“功能翻番”作為新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。
●隨著三維集成技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)的微系統(tǒng)產(chǎn)品將在體積與重量、性能、智能化水平方面取得巨大進(jìn)步。
自摩爾定律首次預(yù)測(cè)硅片上晶體管的數(shù)量每18個(gè)月翻一番以來(lái),制造商一直追求的都是生產(chǎn)力收益。這一巨大的生產(chǎn)力收益成就了今天我們隨處可見(jiàn)的電子應(yīng)用,但是隨著晶體管的密度增加,開(kāi)發(fā)相應(yīng)生產(chǎn)工藝的成本也隨之增加。結(jié)果是,實(shí)現(xiàn)“特征尺寸最小”的CMOS技術(shù)也成為最昂貴的CMOS技術(shù),尺寸與經(jīng)濟(jì)的平衡點(diǎn)即將被打破。
后摩爾定律的內(nèi)涵是“功能翻番”。按照后摩爾定律,企業(yè)不必一味追求系統(tǒng)“特征尺寸的縮小”,而要以“功能的翻番”、“為用戶提供高附加值服務(wù)”作為新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。
遵循“后摩爾定律”的規(guī)律,將RF器件、功率管理系統(tǒng)、生物芯片、傳感器及MEMS等和信號(hào)處理器、存儲(chǔ)芯片用SoC和SIP系統(tǒng)集成,以得到功能的大幅提高。將CMOS技術(shù)與混合集成技術(shù)相結(jié)合無(wú)疑會(huì)為消費(fèi)者帶來(lái)更多的價(jià)值。這些技術(shù)的融合與轉(zhuǎn)變還將影響微系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、建模和特性以及系統(tǒng)架構(gòu)。最終,現(xiàn)有的聯(lián)合研發(fā)模式將發(fā)生改變,新的生態(tài)系統(tǒng)將形成(供應(yīng)鏈將變得更加復(fù)雜,但也存在新的機(jī)會(huì))。
三維集成技術(shù)將成為主流。三維集成技術(shù)可以解決兩個(gè)非常重要的核心問(wèn)題:一是發(fā)展摩爾定律,實(shí)現(xiàn)晶體管密度的翻番和芯片性能的提升,只有3D的IC才能超越摩爾定律;二是實(shí)現(xiàn)后摩爾定律追求的功能翻番——— 將異構(gòu)器件/模塊集成。
預(yù)測(cè)到2016年前后,將批量生產(chǎn)22納米的集成電路,追求特征尺寸縮小的速度會(huì)減慢,因利用先進(jìn)CMOS技術(shù)開(kāi)發(fā)SoC的成本飛漲,而是更多采用三維集成技術(shù)向立體空間發(fā)展,一方面增加晶體管密度,提高微電子產(chǎn)品性能;另一方面將異構(gòu)器件/模塊集成,實(shí)現(xiàn)功能多樣化,促進(jìn)微系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展。
從幾何學(xué)角度看,三維集成是指為了提高密度、性能和可靠性,在晶圓的水平和垂直方向繼續(xù)縮小特征尺寸,還包括與此相關(guān)的3D結(jié)構(gòu)改善等非幾何學(xué)工藝技術(shù)以及運(yùn)用新材料改善晶圓的電性能。
隨著三維集成技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)的微系統(tǒng)產(chǎn)品將在體積與重量、性能、智能化水平方面取得巨大進(jìn)步。
微系統(tǒng)設(shè)計(jì)向納米尺度發(fā)展。1納米相當(dāng)于兩個(gè)原子的寬度,應(yīng)用納米技術(shù)不僅是希望把產(chǎn)品做得“更小”,而是要超越硅技術(shù),取得更好的電磁性能等方面的特性。當(dāng)前的芯片正在向100微米以下的厚度發(fā)展,更加輕薄,即可以在一塊基板上集成更多芯片以實(shí)現(xiàn)更多的功能,同時(shí)散熱性、可靠性都大大提高。
與生物和新材料技術(shù)相結(jié)合。通過(guò)開(kāi)發(fā)從生活系統(tǒng)中獲得靈感的材料、工藝和設(shè)計(jì),開(kāi)發(fā)具有自主性和適應(yīng)性的新系統(tǒng)。
與信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化。未來(lái)微系統(tǒng)與大系統(tǒng)之間的形態(tài)界限將趨于模糊,但邏輯界限會(huì)越來(lái)越清晰,實(shí)現(xiàn)一體化是必然結(jié)果。隨著民用物聯(lián)網(wǎng)和軍用信息基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展完善,微系統(tǒng)勢(shì)必向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息系統(tǒng)一體化方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)自組織、自主活動(dòng)、人為遠(yuǎn)程遙控。
創(chuàng)新研發(fā)合作模式
●需要由國(guó)家出面制定微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃技術(shù)發(fā)展路線圖,超前部署微系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究。
●企業(yè)的創(chuàng)新方向?qū)⑹菫橛脩袅可碛喼乒δ芏鄻踊漠a(chǎn)品,為用戶提供高附加值的增值服務(wù)。
微系統(tǒng)技術(shù)是包含多種交叉學(xué)科的高、精、尖技術(shù),其研究水平在一定程度上反映出國(guó)家的基礎(chǔ)科研水平,各國(guó)都在競(jìng)相發(fā)展,我國(guó)絕不能落后。為促進(jìn)微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展,提出五點(diǎn)對(duì)策建議。
第一,組織落實(shí),調(diào)整結(jié)構(gòu)。作為基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè),我們必須給予高度重視,需要由國(guó)家出面組織力量建立多層次、經(jīng)?;慕涣餮杏憴C(jī)制,長(zhǎng)期、反復(fù)科學(xué)論證,制定微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃技術(shù)發(fā)展路線圖,超前部署微系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究。并考慮打破傳統(tǒng)的專業(yè)分工限制,使元器件研制、系統(tǒng)研制、軟件研發(fā)等單位能夠共同參與微系統(tǒng)研發(fā),優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),力量整合。
第二,集中資源,加大投入力度。統(tǒng)一科研規(guī)劃,凝練一批重大工程項(xiàng)目,加強(qiáng)微系統(tǒng)研發(fā)能力的建設(shè)。
第三,創(chuàng)新微系統(tǒng)研發(fā)的合作模式。微系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密相關(guān)、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、能看能動(dòng)的“系統(tǒng)”,因此需要系統(tǒng)或整機(jī)研制單位、軟件研發(fā)單位、元器件研制單位強(qiáng)強(qiáng)合作、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),共同攻關(guān)這一前沿交叉學(xué)科。
第四,重點(diǎn)培育具有創(chuàng)新能力的企業(yè)。無(wú)論是微電子產(chǎn)業(yè)還是微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè),發(fā)展壯大的規(guī)則都是“創(chuàng)新”。只不過(guò)創(chuàng)新的大方向有所改變,以前微電子產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新方向是遵循摩爾定律的“尺度不斷縮小”,但這使得研發(fā)成本持續(xù)攀高,在達(dá)到22納米制程時(shí)將達(dá)到經(jīng)濟(jì)性平衡點(diǎn)。未來(lái)需要依據(jù)新的規(guī)則,引爆新的增長(zhǎng)點(diǎn),創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。依據(jù)后摩爾定律發(fā)展的微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將蓬勃發(fā)展,屆時(shí)企業(yè)的創(chuàng)新方向?qū)⑹菫橛脩袅可碛喼乒δ芏鄻踊漠a(chǎn)品,為用戶提供高附加值的增值服務(wù)。
企業(yè)是推動(dòng)微系統(tǒng)工程化、產(chǎn)業(yè)化的主力。因此,對(duì)于那些通過(guò)對(duì)現(xiàn)有及新興技術(shù)有創(chuàng)意的結(jié)合(實(shí)現(xiàn)異構(gòu)器件/模塊的三維集成)、為客戶量身訂制智能解決方案、有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的企業(yè),一定要重點(diǎn)培育,通過(guò)各種途徑幫助他們降低研發(fā)成本,加快產(chǎn)品上市時(shí)間,以使他們創(chuàng)造可觀的利潤(rùn)并逐步擴(kuò)大市場(chǎng)份額。這不僅會(huì)使這些公司受益,最終會(huì)使整個(gè)社會(huì)受益。
第五,加強(qiáng)領(lǐng)軍人才的引進(jìn)與培養(yǎng)??萍嫉母驹谌瞬牛瞬攀强萍及l(fā)展的首要資源、是科技創(chuàng)新的第一能力要素。微系統(tǒng)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展更加迫切地需要高層次的領(lǐng)軍人才。面對(duì)復(fù)雜的國(guó)際國(guó)內(nèi)形勢(shì),唯有堅(jiān)定不移地實(shí)施人才戰(zhàn)略,發(fā)揮我國(guó)人才資源豐富的潛在優(yōu)勢(shì),走依靠人才、特別是核心人才提升我國(guó)高科技信息電子工業(yè)能力建設(shè)的道路,才是我們的必然選擇。
因此,我們建議要加強(qiáng)與高校和研究院所的聯(lián)合,開(kāi)展多種形式如委培、聯(lián)合招生、提供實(shí)驗(yàn)手段等方式的聯(lián)合培養(yǎng),促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用一條龍式發(fā)展,更快地使研究的成果投入試用,發(fā)揮更大的效果。
(本文摘自工業(yè)和信息化部電子科技委專用裝備組《微系統(tǒng)總體發(fā)展研究》報(bào)告)