一 、序言
芯片被喻为信息时期的“发动机”,是各国竞相竞赛的“国之重器”,是一个国家高端制造能力的综合表示。
虽然我国有着环球最大的半导体市场,并且已成为继美国之后的环球第二大集成电路设计重镇,但目前集成电路的主流产品仍旧紧张集中在中低端，除了移动通信终端和网络设备的部分集成电路产品霸占率超过10%外,高端芯片的霸占率险些为零。
鉴于各类缘故原由和风起云涌的国际形势，今年上半年我国电子企业普遍加快了微电子、集成电路等产品研发，投资增长了43.6%。集成电路家当正在成为各大城市的共同选择,遍地所政府、集成电路企业、成本、高校和研究中央都在准备充分发挥区域协同创新能力,共同打造地区集成电路“芯”高地。
我国集成电路首次大规模投资热潮发生在上世纪80到90年代，具有代表性的有当时的“531计策”、“908工程”（无锡华晶）和“909工程”（上海华虹NEC）。这些工程只管当时在很大程度上改进了我国集成电路的生产工艺条件，但是，行业的整体竞争力并没有多大的提升，紧张由于一方面技能缺少前瞻性，一些工艺线刚投产即掉队，另一方面只看重引进工艺生产线，缺少整体布局和对根本技能研发的重视。
第二波“芯片热”爆发在本世纪初，由于中国市场自身的需求以及政府的扶持，当时集成电路成为了所谓的风口，大量资金涌入，充满了各种躁动。2003年前后中国集成电路行业有代表性的企业有杭州士兰微、上海贝岭、华虹NEC、北京的中星微电子和大唐微电子等。2005年，凭借摄像头芯片业务，中星微电子上岸纳斯达克，成为海内第一个上岸纳斯达克的芯片企业。直到2006年陈进的“汉芯事宜”曝光，这波芯片热潮才逐步退去。
从2006年到现在，我国集成电路科技创新紧张由“核高基”和“大基金”主导。“核高基”是“核心电子器件、高端通用芯片及根本软件产品”专项的简称。2006年，国务院颁布了《国家中长期科学和技能发展方案纲要（2006－2020年）》，将“核高基”列为16个科技重大专项之首，与载人航天、探月工程等并列。“大基金”是成立于2014年的国家集成电路家当投资基金，专为促进集成电路家当的发展而设立。目前，这两股力量仍侧重于“补充空缺、补齐短板”，紧张成果有用于神威超级打算机的申威CPU和用于北斗卫星的龙芯处理器。
总的来说，我国近几十年来在集成电路上有过不少努力，也涌现过几次热潮，但基本上是“战术上的勤奋”，短缺前瞻性思维和计策视野。因此，总逃不出一个“掉队-追赶-再掉队”循环的怪圈。要知道，战术上的勤奋永久填补不了计策上的缺失落和
集成电路领域作为我国技能创新的高地,在未来的方案上,应有更高的计策视野和更前瞻的谋划。以“超前布局为主,补足关键短板为辅”为原则,明确将“光子+AI”作为未来芯片发展的计策方向。努力实现关键核心技能自主可控，捉住千载难逢的历史机遇,有力支撑天下科技强国培植。让新型芯片技能真正发挥创新引领发展的第一动力浸染,这样才能站上天下科技竞争和未来发展的计策制高点。
二、在传统芯片领域,坚持有所为和有所不为
在传统芯片领域,门槛最高的是RRU基站设备干系的中/射频芯片和DSP/FPGA芯片、高速相关光通信芯片以及高端做事器处理器芯片。这些领域要想实现国产替代,须要较永劫光和更多的投入,因此,传统芯片应重点放在这四个领域。手机家当等干系的中低端芯片门槛相对较低,一些细分领域的国产芯片乃至已经成为国际龙头,这些领域可由企业根据自身利益通过市场来办理。
(1) RRU基站设备干系的中/射频芯片和DSP/FPGA芯片
基站芯片的成熟度和高可靠性哀求与消费级芯片不可同日而语,从开始试用到批量利用最少须要两年以上的韶光,呈现技能更迭快、门槛高和自给率低的特点。目前,复兴和华为在基带芯片上基本达到自给,都有自主研发的基带芯片。但是在中/射频领域,紧张由TI、ADI、Qorvo和IDT等欧美厂商垄断。同时,TI和ADI都在加速研发多通道、高集成的单芯片办理方案,以知足5G大规模天线基站的哀求,如TI的AFE75XX系列和ADI的AD93XX系列等。在这个领域,国产芯片厂商才刚刚起步,如南京美辰微电子通过前期参与国家重大专项《基于SiP RF技能的TD-LTE/TD-LTE-Advanced/TD-SCDMA基站射频单元的研发》,得到了较大的技能提升,在正交调制器、混频器、VGA、锁相环、DPD吸收机和ADC/DAC等芯片产品方面已有可量产的方案。后续可通过定点扶持实现该领域家当能力的进一步提升。
此外,高性能DSP/FPGA芯片基本上由TI和 Xilinx垄断。尤其Xilinx最近推出的高集成RFSoC芯片,领悟了多通道的DAC/ADC和高端FPGA,无论在软件定义无线电(SDR)系统还是在软件定义光学网络(SDO)上都具有很大的上风。在这方面,目前海内基本无对标产品,后续须要重点扶持和加大投入。
(2) 高速相关光通信设备干系的芯片
光通信模块紧张采取的芯片有TA(跨阻放大器)、APD(雪崩光二极管)、LA( Limiting Amplifier)、激光器芯片( VCSEL、DFB和EML)、lCT/ICR(集成相关发射机/集成相关吸收机)和DWDM等。目前低于40Gbps以下的非相关光通信芯片和模块自给率尚可,但是100Gbps以上的高端芯片,尤其高速ICT/ICR(集成相关发射机/集成相关吸收机)芯片仍需打破。高速ICT/ICR芯片目前紧张有欧美日公司,如Infinera、Fujitsu、Finisar、Acacia、NeoPhotonics、0claro和Elenion等。海内光迅科技和初创公司SiFotonics开始供应100Gbps-QPSK集成相关吸收机芯片和解决方案,芯耘光电公司估量也在2019年完成100Gbps芯片方案研发。同样,后续可通过定点扶持实现该领域家当能力的进一步提升。
(3) 高端做事器处理器芯片
目前,lntel在高端做事器处理器芯片的市场霸占率已经高达99%,其X86架构加上微软的软件生态,已经处于绝对垄断的地位。但是,近年在云打算、大数据和人工智能推动下,做事器市场需求强劲。环球又掀起了一股高端做事器处理器芯片竞争热潮,这个中紧张有AMD最新的Zen处理器芯片和ARM引领的精简指令集架构。Zen架构的“打破性性能”可以匹敌英特尔速率最快的10纳米Broadwell-E处理器,其产品系列包括基于Zen架构的8核(16线程）的Summit Ridge台式机处理器芯片以及32核(64线程)的Naples做事器处理器芯片。ARM做事器芯片生态链上的企业则紧张有Marvell(收购Cavium得到的ARM做事器芯片业务)、Ampere和中国的华芯通等。个中, Ampere为了构建软件生态系统,在工具端、B0S/BMC和操作系统上积极与Java等领先厂商互助开拓,旨在帮助客户办理迁移到云真个问题。我国的贵州华芯通半导体技能有限公司也于今年正式发布其ARM架构的48核的做事器芯片-昇龙(StarDragon)。昇龙处理器嵌入了符合中国“商用密码算法”标准的自主硏发的密码模块及软件办理方案。
由于 Wintel生态过于强大,考虑到运行在云真个软件无须传承于任何传统企业,我们在高端做事器芯片上的打破该当从ARM、云打算和 Linux生态入手,以担保足够的设计、创新和提升空间。
三、把发展下一代光子集成芯片(PIC)作为重中之重
2010年以来,光子集成技能进入了高速发展期间,国际上环绕光子集成技能支配了许多重大的研究操持,投入了大量的人力物力进行高端光子集成芯片的研发。欧盟在“Horizon2020”操持更是集中支配了光子集成研究项目,旨在实现基于半导体材料或二维晶体材料的光电稠浊集成芯片。2014年10月美国总统奧巴马宣告光子集成技能国家计策,联邦政府结合社会成本投入6.5亿美元打造光子集成芯片研发制备平台。2015年,美国建立了“国家光子操持”家当同盟,明确将支持发展光子根本研究与早期运用研究操持开拓,支持4大研究领域及3个运用能力技能开拓,并提出了每一项可开拓领域的机会和目标。
除了上述的高速集成相关光发射机和吸收机，光子集成芯片技能还有两个更主要的分支:一是集成微波光子(IMWP)芯片,紧张运用于军事和民用无线电系统,快意大利的 PHODIR(基于光子学的全数字雷达)、俄罗斯的基于微波光子学的有源相控阵雷达系统 ROFAR、欧洲的GAA(下一代SAR的光子前端)和 HAMLET操持等;二是数字光子芯片,如光学DSP、光子打算芯片和光子AI芯片等。
总体来讲,我国光子集成技能还处于起步阶段,制约我国光子集成技能发展的突出问题包括学科和研究碎片化,人才匮乏,缺少系统架构研究与设计,工艺设备的研发实力薄弱,缺少标准化和规范化的光子集成技能工艺平台,以及芯片封装和测试剖析技能掉队等。幸运的是,该领域尚未形成垄断和巨子,如果超前布局,精心组织和重点投入,我们仍有赶超的机会和韶光窗。
(1) 集成微波光子(IMWP)芯片
无线技能平台经由数十年从数字无线电到软件无线电的演进,目前下一代无线技能平台正在呼之欲出。未来环球电信网络以及雷达、通信和航天工业中新兴的大规模运用都将须要全新的技能来办理当前电子技能对付大容量和超宽带连接的限定。鉴于集成微波光子芯片具有更高的精度、更大的带宽、更强的灵巧性和抗滋扰能力,因此被认为是具有竞争力的下一代无线技能平台。俄罗斯乃至称有可能彻底放弃微波电子学,转而专攻微波光子学。目前在俄罗斯大约有850家公司参与微波光子学的研究和开拓。此外,欧盟也正联合开拓新型全光子28GHz毫米波mMIMO收发信机芯片,并将于2018年底推出第一个版本。参与该研发操持的公司和研究机构有LioniX、Solvates、SATRAX、Linkra、Fraunhofer HHI和NTU的ICCS,并通过异构集成,结合了PolyBoard和TriPleX两个工艺平台的上风。
在集成微波光子芯片领域,我国仍处于根本研究阶段,不久前刚结束的国家973操持项目“面向宽带泛在接入的微波光子器件与集成系统根本研究”重点针对微波光子相互浸染下的高带宽转换机理、高风雅调控方法和高灵巧协同机制等3个科学问题,在微波光子浸染机理、关键器件与原型系统方面取得了主冲要破,为未来发展供应了相应的理论与技能支撑。项目团队研制了覆盖L/S/Ku/Ka波段的灵巧可变的微波光子柔性卫星转发器样机,以及构建了分布式大动态可协同的智能光载无线(I-RoF)原型系统与研究平台。该项目所取得的“宽带集成、稳相传输和多频重构”等创新成果在嫦娥三号Ⅹ波段信标旗子暗记采集、北斗导航高轨卫星的轨道监测和微波光子柔性卫星转发器等国家重大工程中得到验证和技能运用。
集成微波光子芯片紧张在光学域上实现射频旗子暗记的处理,其功能可以覆盖无线系统的全体射频旗子暗记链,包括滤波、IQ调制、UC/DC(上转换/下转换)、频率合成器、AWG(任意波形天生)和光子ADC/光子DAC等。随着集成相关光学、集成微波光子学、超大规模光子集成电路、光学频率梳、光子ADC和光子数字旗子暗记处理技能的发展,集成微波光子芯片乃至可以发展到大规模ASPIC或PSoC(光子专用集成电路),并可能在未来5-10年内颠覆全体RF技能生态,使真正的光子定义无线电( Photonics Defined Radio, PDR)系统成为可能。
在方案和发展路径上,我们可以首先面向国防、航天、5G/B5G和6G移动通信的需求,从单片或单功能集成开始,提升设计和工艺水平,逐步发展大规模集成微波光子芯片。
(2) 高性能光子打算芯片和光子AI芯片
光子打算被认为是打破摩尔定律的有效路子之一,且更适宜线性打算。光子器件的开关速率比电子器件更快,而且光波具有不同的波长、频率、偏振态和相位信息,可以用来代表不同的数据,因而光子打算具有内禀的高维度的并行打算特性。光子打算超强的线性打算能力有望成为未来高性能打算的“圣杯”。
2016年MIT提出了利用光子代替电子作为打算芯片架构的理论,并称之为可程序设计纳米光子处理器。美国的艾克塞特大学、牛津大学和明斯特大学三所高校正在联合研发光子打算芯片。科罗拉多大学的科研职员日前已研制成功天下上第一款以光子处理和传输信息的微处理器芯片。
英国0ptalysys公司于2017年发布了第一代高性能桌面超级光子打算机(最高可达到9Pfps的处理速率),其光子处理器采取PCI扩展卡与普通打算机进行通讯(PCI扩展卡是用于升级图形处理器或做事器的标准组件)。同时,0ptalysys公司还承担了一个五角大楼的研究项目-超级打算机的桌面化技能,以及一个欧洲的项目-提高景象仿真能力。Optalysys操持在2020年之前推出Efps级别的更高性能的系统。
除了传统的高性能打算外,光子芯片也将是未来AI打算的硬件架构,可能彻底淘汰现在的GPU,并且是未来量子打算的候选方案之一。
过去十年中,在构建光子打算芯片的根本研究和根本工艺方面的投资开始得到回报。2016年,美国普林斯顿大学研制了全天下第一个光子神经形态芯片。该芯片拥有超快的打算能力,并利用光子办理了神经网络电路速率受限的难题,开辟了光子打算的新篇章。2017年,英国牛津大学的研究职员利用分外的相变材料与集成光子技能开拓出一种光子芯片,可形成与人脑相似的“光子突触”,其运行速率比人脑神经突触快1000倍。法国初创公司 Light0n成功开拓了利用激光处理数据的系统。该公司的目标是,在机器学习中通过将信息与随机数据相乘的办法压缩数据。不同的是,Light0n的系统利用了光通过半透明材料时发生的随机散射效应,能更随意马虎地得到相同的效果。
Lightelligence公司操持于2019年第一季度推出光子打算芯片产品。 Lightmatter公司也正在用光子技能来増强电子打算机的性能,从根本上推出足够强大的全新打算芯片,以促进下一代人工智能的发展。
我国在该领域的研究和家当化基本还是空缺,理应积极布局,统筹方案,否则在未来的光子信息时期,我们将又一次饱尝“缺芯缺脑”之痛。
(3) 加强光子集成干系的根本研究和人才培养
正如前面所述,我国光子集成技能发展面临学科和研究碎片化、人才匮乏、缺少系统架构研究与设计等问题。我国有关光子学的研究机构浩瀚,专业繁杂,有武汉光电国家实验室、集成光电子学国家重点联合实验室、北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室、上海交通大学光子集成与量子信息实验室、南京大学微波光子技能研究中央、东南大学前辈光子学中央、南京航空航天算夜学微波光子学实验室、中国科学技能大学量子材料与光子技能实验室、浙江大学光子材料与器件实验室、厦门大学半导体光子学研究中央、中科院上海微系统与信息技能研究所信息功能材料国家重点实验室、中山大学光电材料与技能国家重点实验室以及各学校的光电科学与工程学系。因此,建议对标“微电子学”建立“微光子学”二级学科,规范和加强光子集成技能的人才培养。同时勾引各研究机构分工协作,在自己的上风领域重点攻关,从而终极形成整体打破。
(4) 优化光子集成家当生态,构建长效计策互助机制
加强光子集成技能制造装备研发,建立光子集成芯片开放性的工艺加工平台,为高端光子集成芯片研发和生产供应技能支撑和做事。建立光子集成设计和制备技能标准化体系,增强全体家当的国际话语权。鼓励建立光子集成家当协作同盟,整合家当等分散的研发力量,完善创新体系与家当生态环境。
张江光子国家实验室牵头承担的硅光子重大专项已经取得打破,具备了光子集成芯片的制造能力。估量今年年内,我国第一条硅光子研发中试线将在沪建成。后续可结合PolyBoard和TriPleX两个工艺平台的上风拓展成一个异构平台,未来作为地区乃至国家级光子集成芯片开放性的工艺平台。
(5) 加强国际互助,努力实现我国光子集成技能的超过式发展
我国在光子集成技能领域与欧美日俄尚有一定的差距,我们要充分利用荷兰、意大利、西班牙、德国、比利时、俄罗斯和日本等欧亚国家在光子集成芯片等高端技能的上风,加强互换与互助,迅速提升光子集成技能方面的研发能力。同时,把张江光子国家实验室建成光子集成技能的国际互换平台。此外,加大光子集成家当核心人才引进力度,连续推动出台针对干系人才返国就业和创业的支持政策。勾引和鼓励成本适当地进行必要的合伙和并购,快速提升我国光子集成的自主家当能力。
四、争取在AI芯片新型架构创新上取得打破
今年以来,AI芯片初创公司呈现爆炸式增长,各种AI芯片xPU如雨后春笋,已经达数十家之多。当前无论基于多核CPU、GPU、还是FPGA架构的AI芯片实质上都不是真正的AI芯片,实际上是用现有的、相对成熟的架构和技能去应对全新的人工智能,并没有革命性的技能打破。它们每每无法知足AI的需求,也预示着目前许多所谓的xPU终极将是昙花一现。
常日CPU和GPU被设计成用来运行完全的程序,不是数据驱动的。而机器学习与CPU和GPU处理完备不同,是不断演习程序利用数据的过程,然后在不进行明确编程的情形下进行推理,须要完备不同类型的处理器。AI芯片须要循环利用演习数据,必须善于处理数据之间的连接关系,比如可以用图形表示数据之间的干系性和其他关系。可以说,AI的神经网络的总体目标是创造大而繁芜的连接关系网络,这个网络不仅可以是稀疏的、多层级的,而且可以彼此循环、学习和改进。以是,AI芯片是“连接-存储-打算”的范式,而传统 CPU/GPU是冯诺依曼构造,即“打算-存储-连接”的范式。从这个意义上来说,范式转变和架构创新是未来AI芯片取得打破和成功的关键。
第一类创新架构的方向是打算和存储一体化(processing-in-memory),即在分布式存储单元里面加上打算的功能。个中,具有代表性的是英国Graphcore公司的人工智能芯片IPU(Intelligence Processing Unit)。IPU采取16nm工艺,大规模多核阵列(大于1000个核)架构,每个核都有一个存储单元(没有外接共享存储,是完备芯片内分布式存储),同时支持演习和推理。最近,美国的SRC启动了一个1.5亿美金的5年研究操持JUMP,个中一个方向也是Intelligent memory and storage。
第二类创新架构的方向是类脑芯片,范例的有IBM公司的类脑芯片TrueNorth、英特尔的自我学习芯片Loihi和高通的Zeroth芯片等。海内最近几年在类脑芯片研发上也不甘示弱,上海西井科技这样的初创公同也在进行类脑芯片的研发,清华等有名高校则纷纭建立类脑研究中央,浙大乃至推出自己的“达尔文”类脑芯片。比较于传统芯片,类脑芯片的确在功耗上具有绝对上风,拿英特尔的Loihi来说,不仅其学习效率比其他智能芯片高100万倍,而且在完成同一个任务所花费的能源比传统芯片节省近1000倍。
第三类创新架构的方向是前面所说的“光子神经网络”,光子芯片或将是未来AI打算的硬件架构。
芯片架构就犹如软件的操作系统,一种架构一旦成为主流,其它架构就很难有成功的机会。传统高端处理器芯片架构是lntel的x86、AMD的K6、ARM的Advanced-RISC和GPU四足鼎立。AI芯片架构也初现端倪,未来我们能否有一席之地,关键还看我们的谋划能力和创新力度。正如RISC先驱David Patterson所说，现在是处理器芯片架构创新的黄金时期。我国作为AI芯片架构领域的主要研发基地,有上海西井科技、浙大的类脑芯片和清华、南京大学等的根本研究,理应走在AI芯片架构创新的前列。
五、加强其它前沿芯片技能的研究
除了上述比较明确的技能和家当趋势,下面几个关键技能个中任何一个取得打破都会对未来的集成电路技能产生颠覆性的影响,因此这些都须要我们加强研究和紧密跟踪。
（1）碳纳米管晶体管及芯片技能
碳纳米管(CNT)是碳原子的管状构造。这些管状构造可以是单壁(SWNT)或多壁(MWNT)的,直径一样平常在几纳米的范围内。它们的电特性根据其分子构造而变革,介于金属和半导体之间。碳纳米管场效应晶体管( CNTFET)由两个通过CNT连接的金属触点组成。这些触点是晶体管的漏极和源极,栅极位于CNT的阁下或周围,并通过一层氧化硅分离。
基于纳米管的RAM是由Nantero公司开拓的非易失落性随机存取存储器的专有存储器技能(该公司也将此存储器称为NRAM)。理论上,NRAM可以达到DRAM的密度,同时供应类似于SRAM的性能。该领域未来最有希望运用于高性能打算机(HPC)的是碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)、基于纳米管的RAM(或Nano-RAM)以及芯片冷却的改进等。CNT是非常好的导热体,因此,可以显著改进CPU芯片的散热。
（2）石墨烯晶体管及芯片技能
石墨烯是一种厚度为单一原子的二维构造的材料。石墨烯实现在半导体村落底上成长被认为是一个主要的走向实用的里程碑。2010年,IBM研究职员展示了一种截止频率为100GHz的射频石墨烯晶体管。这是迄今为止石墨烯器件达到的最高频率。2014年, IBM Research的工程师开拓出世界上最前辈的石墨烯芯片,其性能比以前的石墨烯芯片赶过10000倍。
除了用于制备RF器件,由于石墨烯制造方法实际上与标准硅CM0S工艺兼容,并且具有出色的导热和导电能力,因此未来有可能实现商用石墨烯打算机芯片。
(3) 金刚石晶体管及芯片技能
金刚石的加工办法可以和半导体类似,因此可以用来制备基于金刚石的晶体管。东京工业大学的研究职员制备了具有横向p-n结的金刚石结型场效应晶体管(JFET)。该器件具有精良的物理性能,如5.47eV的宽带隙,10MV/cm的高击穿电场(比4H-Si0和GaN高3-4倍),以及20W/mK的高导热率(比4H-Si0和GaN高4-10倍)。目前制造的金刚石晶体管的栅极长度在几个微米范围内,与当前22nm技能比较仍偏大。为了实现高速事情的芯片(传播延迟的限定),未来须要进一步减小栅极尺寸。
金刚石的高导热性比传统半导体材料高几个数量级,可以更快地散热,能办理3D芯片堆叠模块的温度问题,这样,估量基于金刚石的芯片能耗更低和高温事情能力更强。
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