后摩爾時代集成電路發展現狀

后摩爾時代的集成電路發展面臨著新的格局與挑戰。

一、摩爾定律發展的瓶頸與后摩爾時代的來臨 摩爾定律在集成電路發展歷程中曾占據主導地位。1965年英特爾創始人戈登·摩爾提出，在價格不變時，集成電路上的晶體管密度每年加倍，性能也提升一倍；到1975年改為單位面積芯片上的晶體管數量每兩年增加一倍。這一定律持續近50年，推動了通信技術、AI等的發展。例如從2G時代的130nm發展到14nm、5nm，晶體管價格大幅降低，上世紀70年代1個晶體管價值達1美元，如今1美元能買幾百萬個晶體管。但到2014 - 2017年左右，摩爾定律逐漸失效，在28nm時，100萬晶體管的價格為2.7美分，到20nm，這一價格增至2.9美分，單個晶體管價錢上漲，違背了摩爾定律價格不變的初衷 。

二、后摩爾時代集成電路產業鏈現狀

• 設計環節：設計公司更關心系統性能。國內在這方面也有成果，如國內創企芯盟采用40nm工藝做出高性能異構集成單芯片，還有紫光國芯SeDRAM采用直接鍵合異質集成工藝，每Gbit帶寬高達34GB/s、能效達0.88pJ/bit。不過，從集成電路產業鏈整體分布來看，IP EDA基本被美國壟斷，中國大陸在多個細分產業占比較小，這在一定程度上限制了集成電路設計的發展自主性 。

• 制造環節：后摩爾時代芯片制造面臨諸多挑戰。吳漢明院士總結了芯片制造工藝的三大挑戰：一是基礎挑戰精密圖形，現在主要先進工藝193nm波長的光源能曝光出20 - 30nm的圖形，受中學光學原理中波長遠大于物理尺寸時分辨率模糊的影響，圖形精度面臨挑戰；二是核心挑戰新材料、新工藝，歷史上有64種新材料支撐了摩爾定律的發展，往后沒有新材料，性能難以提升；三是終極挑戰提升良率，工藝流程中會累積大量統計誤差，良率提升困難重重。從制程節點分布來看，10nm節點以下先進產能僅17%，83%的市場集中在10nm以上節點，成熟制程市場發展存在巨大市場和創新空間，像臺積電的一些成熟制程占比也在增長。并且，在制造裝備方面，ASML占據了光刻裝備大頭，我國廠商的刻蝕、清洗等裝備雖已進入芯片制造大生產線，但還未進入非常高端的生產線應用 。

• 封測環節：后摩爾時代，隨著芯片集成度不斷提高，封裝測試技術也面臨更高要求。傳統的封裝測試技術已難以滿足高性能、小型化、多功能集成芯片的需求。例如，對于異構集成單芯片等復雜芯片的封測，需要更先進的技術來確保芯片在不同工作環境下的穩定性、可靠性以及信號傳輸的完整性。日月光、長電科技等封測企業也在不斷探索新的封測技術，以適應后摩爾時代集成電路發展的需求。

三、不同地區的發展態勢 美國在集成電路領域處于領先地位，在技術研發、高端設備制造、IP EDA等方面具有很強的優勢。美國曾做評估，如果要建立一個完全自主可控產業鏈，成本約達9000億 - 12000億美元，將導致漲價35% - 65%，這也反映出其在產業鏈中的重要性和影響力。而中國大陸在集成電路多個細分產業占比較小，但近年來也在不斷追趕，國內企業在成熟制程等方面有所突破，一些企業在高性能異構集成單芯片等方面也取得成果，同時也在不斷加大研發投入，努力提升在集成電路產業中的地位 。

后摩爾時代集成電路技術突破

后摩爾時代集成電路技術在多個方面尋求突破。

一、技術方向的探索 許居衍院士提出后摩爾時代有4類技術方向。

• 硅基馮諾依曼架構：這是主流方向，不過其面臨著功耗和速度的平衡問題。傳統的硅基馮諾依曼架構在數據處理時，數據存儲和計算單元分離，導致數據傳輸過程中的功耗較大，限制了芯片性能的進一步提升。例如在一些高性能計算場景下，大量的數據傳輸會產生較高的能耗，因此需要探索新的技術手段來優化這種架構下的功耗和速度關系 。

• 類硅模式：這是延續摩爾定律的主要技術。通過采用新的工藝和結構，在經典CMOS基礎上向非經典CMOS發展，如半節距繼續按比例縮小，并采用薄柵、多柵和圍柵等非經典器件結構，繼續提升晶體管密度和芯片性能。這有助于在一定程度上延續摩爾定律的發展趨勢，實現更高的集成度和性能提升 。

• 類腦模式：這一模式最近比較熱門且有產業前景。類腦芯片模擬生物大腦的神經元結構和工作原理，具有低功耗、高并行性等優點。例如在處理圖像識別、語音識別等復雜任務時，類腦芯片能夠以較低的功耗實現高效的運算，與傳統芯片相比在能效方面有很大的提升潛力，有望在人工智能、物聯網等領域得到廣泛應用 。

• 新興范式：這是非常前沿的未來集成電路發展方向，屬于基礎研究范疇，在最近5 - 10年可能看不到產業化進展。它可能涉及到新的計算原理、材料或者架構等方面的突破，如量子計算技術與集成電路的結合等，一旦實現突破，可能會給集成電路帶來革命性的變革 。

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二、新工藝、新材料與新結構的研究與應用

• 新工藝：后摩爾時代需要新的制造工藝來滿足不斷提高的性能需求。例如在光刻工藝方面，隨著芯片制程的不斷縮小，需要更高分辨率的光刻技術。目前的193nm波長光源在曝光更小尺寸圖形時面臨挑戰，需要研發新的光刻技術如極紫外光刻（EUV）等，以實現更精密的圖形制造。此外，在蝕刻、清洗等工藝環節也需要不斷創新，以提高芯片制造的效率和質量。

• 新材料：新材料的研發是后摩爾時代技術突破的關鍵。歷史上有64種新材料支撐了摩爾定律的發展，在新的發展階段，需要探索如二維材料（石墨烯等）、高遷移率材料等。這些新材料具有獨特的電學、光學等性能，能夠提升晶體管的性能，如提高電子遷移速度、降低功耗等。例如石墨烯具有高載流子遷移率、高導熱性等優點，如果能夠成功應用于集成電路制造，有望解決芯片散熱和性能提升的問題。

• 新結構：除了采用薄柵、多柵和圍柵等非經典器件結構外，還在探索如垂直晶體管結構等新的結構形式。垂直晶體管結構能夠在不增加芯片面積的情況下增加晶體管的數量，從而提高集成度。這種結構改變了傳統平面晶體管的布局方式，通過在垂直方向上構建晶體管，有效利用了芯片的三維空間，是實現等效尺寸微縮或者集成度提升的重要途徑之一。

三、異構集成技術的發展 異構集成技術是后摩爾時代集成電路的一個重要發展方向。它將不同功能、不同制程的芯片或元件集成在一起，實現多功能大集成。例如將邏輯芯片、存儲芯片、傳感器等通過直接鍵合、封裝集成等方式組合在一個芯片或者封裝內。這種技術能夠突破傳統單一芯片功能的限制，提高系統的整體性能。如紫光國芯SeDRAM采用直接鍵合異質集成工藝，實現了高性能的數據存儲和傳輸，每Gbit帶寬高達34GB/s、能效達0.88pJ/bit。異構集成技術還可以提高芯片的設計靈活性，根據不同的應用需求快速定制芯片解決方案，同時也有助于降低成本和提高開發效率。

后摩爾時代集成電路市場需求變化

后摩爾時代，集成電路的市場需求呈現出多方面的顯著變化。

一、新興應用領域驅動需求分化

• 人工智能領域：隨著人工智能技術的快速發展，對集成電路的需求發生了深刻變化。人工智能算法需要大量的計算資源來進行數據處理和模型訓練，如深度學習中的神經網絡模型。這就要求芯片具有更高的并行計算能力、更低的功耗以及更大的存儲帶寬。傳統的通用芯片難以滿足這些需求，因此專門為人工智能設計的芯片，如GPU（圖形處理單元）、TPU（張量處理單元）等應運而生。這些芯片針對人工智能算法進行了優化，例如GPU具有大量的計算核心，能夠并行處理多個數據，大大提高了人工智能計算的效率。而且，隨著人工智能在醫療、自動駕駛、智能家居等眾多領域的廣泛應用，對這類高性能、低功耗、特定功能的集成電路的需求還將持續增長。

• 物聯網領域：物聯網的發展使得萬物互聯成為可能，這也對集成電路提出了新的要求。物聯網設備數量眾多、功能多樣且分布廣泛，從簡單的傳感器節點到復雜的智能網關等。對于傳感器節點等低功耗設備而言，需要集成度高、功耗極低的芯片，以實現長時間的電池供電運行。例如一些無線傳感器節點，需要在微小的體積內集成傳感器、微控制器和無線通信模塊，并且要求芯片功耗在微瓦甚至納瓦級別。而對于智能網關等設備，則需要具備較強的數據處理能力和多協議兼容能力的芯片，以實現對大量物聯網設備數據的匯聚、處理和轉發。

• 5G通信領域：5G通信的高速率、低延遲和大容量特性，對集成電路的性能提出了更高要求。5G基站中的射頻芯片需要具備更高的工作頻率、更大的帶寬和更低的噪聲系數，以實現高效的信號發射和接收。同時，5G終端設備如智能手機中的芯片，需要集成更多的功能，如支持多頻段、多模式通信，以及具備更強的信號處理能力來應對高速數據傳輸。例如，5G手機中的調制解調器芯片需要在更小的制程下實現更高的數據傳輸速率和更低的功耗，以滿足用戶對于高清視頻通話、高速下載等需求。

二、從性能導向到能效導向的轉變

• 功耗約束下的能效優化需求：在傳統的集成電路發展中，性能提升往往是首要目標。然而，隨著芯片集成度的不斷提高和應用場景的多樣化，功耗問題日益突出。后摩爾時代，在一定功耗約束下進行能效比的優化成為重要需求和主要發展趨勢。例如在移動設備領域，電池續航能力一直是用戶關注的重點，對于筆記本電腦、智能手機等設備，需要芯片在保證性能的同時盡可能降低功耗。這就促使芯片制造商在設計芯片時，采用更先進的制程工藝、優化電路結構以及探索新的低功耗設計技術，如動態電壓頻率調整（DVFS）等，以提高芯片的能效比。

• 數據中心的能效挑戰與需求：數據中心是能源消耗大戶，其中服務器等設備中的集成電路的能效對于降低數據中心的運營成本和環境影響至關重要。隨著云計算、大數據等業務的不斷增長，數據中心需要處理海量的數據，這就要求服務器芯片在高負載情況下保持高效運行，同時降低能耗。例如，采用新型的架構和技術來減少數據中心芯片在空閑狀態下的功耗，提高整體能效。一些企業開始探索使用異構計算架構，將CPU與GPU、FPGA等不同類型的芯片組合使用，根據不同的任務需求分配計算資源，從而提高能效。

三、多功能集成的需求增長

• 單一芯片多功能集成的趨勢：從過去單一功能優化走向多功能大集成是后摩爾時代集成電路市場需求的一個重要變化。消費者對于電子產品的多功能性需求不斷增加，例如智能手機不僅需要具備通信功能，還需要集成高性能的圖像處理、音頻處理、傳感器融合等功能。這就要求芯片能夠在一個芯片上集成多個不同功能的模塊，實現多功能一體化。像蘋果的A系列芯片，集成了CPU、GPU、神經網絡引擎等多個功能模塊，為用戶提供了豐富的功能體驗。

• 系統級集成需求：除了芯片級別的多功能集成，系統級的集成需求也在增長。例如在工業自動化領域，需要將控制、通信、傳感等多種功能集成在一個系統中，這就要求集成電路能夠與其他組件如傳感器、執行器等進行有效的協同工作。在汽車電子領域，汽車的智能化、電動化發展趨勢使得汽車需要集成更多的電子系統，如自動駕駛系統、電池管理系統等，這對集成電路的多功能集成和系統協同能力提出了更高的要求。

后摩爾時代集成電路行業競爭格局

后摩爾時代集成電路行業的競爭格局呈現出多方面的特點。

一、國際競爭格局

• 美國的主導地位：美國在集成電路行業仍然占據主導地位。在技術研發方面，美國擁有眾多頂尖的科研機構和高校，如斯坦福大學、麻省理工學院等，這些機構在集成電路基礎研究、前沿技術探索等方面處于世界領先水平。在企業層面，英特爾、英偉達等美國企業在芯片設計、制造技術等方面具有強大的實力。例如英特爾在傳統的CPU制造領域長期處于領先地位，英偉達在GPU領域占據主導地位，其產品廣泛應用于人工智能、游戲等眾多領域。在產業鏈上游，美國在IP EDA方面基本處于壟斷地位，這使得其他國家的集成電路企業在設計環節很大程度上依賴美國的技術和工具。

• 其他國家和地區的競爭態勢：除美國外，亞洲地區的一些國家和地區在集成電路行業也具有較強的競爭力。韓國的三星和海力士在存儲芯片領域占據重要地位，其在DRAM和NAND Flash等存儲芯片的研發、生產和銷售方面處于世界前列。日本雖然在整體集成電路產業規模上有所下滑，但在一些關鍵材料、設備制造等方面仍具有獨特的優勢，例如在光刻膠、高端設備部件等方面，日本企業的產品質量和技術水平較高。中國臺灣地區的臺積電是全球最大的晶圓代工廠商，其在芯片制造工藝方面處于領先地位，如率先實現7nm、5nm等先進制程的大規模量產，為全球眾多芯片設計企業提供代工服務。

二、國內競爭格局

• 企業競爭格局：在中國大陸，集成電路企業呈現出多元化的競爭格局。在芯片設計領域，有海思、紫光展銳等企業。海思在被制裁前，其芯片產品在智能手機、通信設備等領域具有很強的競爭力，例如其麒麟系列芯片為華為手機提供了強大的性能支持。紫光展銳在物聯網芯片、移動通信芯片等方面也有一定的市場份額。在芯片制造方面，中芯國際是國內最大的晶圓代工廠商，努力在先進制程工藝上進行追趕，雖然與國際領先水平還有差距，但在成熟制程方面已經具備一定的規模和競爭力。在封測環節，長電科技、通富微電等企業在國內市場占據重要地位，并且不斷提升技術水平，向國際先進封測企業看齊。

• 產學研合作競爭優勢：國內的產學研合作在集成電路行業競爭中也發揮著重要作用。高校和科研機構為企業提供了技術研發支持和人才儲備。例如清華大學、北京大學等高校在集成電路相關領域開展了大量的基礎研究和前沿技術探索，一些科研成果能夠轉化為企業的實際生產力。同時，企業與高校、科研機構之間的合作項目也不斷增加，共同攻克技術難題，提升國內集成電路產業的整體競爭力。然而，與國際領先水平相比，國內在產學研協同創新方面還存在一些問題，如成果轉化效率不高、合作機制不夠完善等。

三、技術競爭焦點

• 制程工藝競爭：制程工藝是集成電路行業競爭的一個關鍵焦點。隨著摩爾定律的發展趨緩，在先進制程工藝方面的突破變得更加困難但也更加重要。國際上的企業如臺積電、三星等在7nm、5nm甚至更先進制程工藝上展開激烈競爭，不斷提高晶體管密度、降低芯片功耗和提升性能。國內企業也在努力追趕，中芯國際在制程工藝研發上持續投入，雖然在先進制程的量產規模和技術成熟度上與國際領先企業存在差距，但在14nm等制程上已經實現量產，并且不斷向更先進制程邁進。

• 新技術研發競爭：后摩爾時代的新技術研發也是競爭的重要方面。例如在類腦芯片、量子計算芯片等新興技術領域，各國企業和科研機構都在積極探索。誰能夠率先在這些新技術領域取得突破，誰就有可能在未來的集成電路市場中占據有利地位。中國在一些新興技術領域也積極布局，如在類腦芯片研究方面，國內一些高校和企業已經開展了相關的研究工作，致力于開發具有自主知識產權的類腦芯片技術。

后摩爾時代集成電路未來發展趨勢預測

后摩爾時代集成電路未來將朝著多個方向發展。

一、技術發展方向

• 延續摩爾與超越摩爾并行發展：一方面，“More Moore”（延續摩爾）仍將持續發展，經典CMOS將繼續向非經典CMOS演進，半節距繼續按比例縮小，并采用更多新的器件結構如薄柵、多柵和圍柵等，進一步提升晶體管密度和芯片性能。另一方面，“More than Moore”（超越摩爾）也將成為重要發展方向，這包括從單一功能優化走向多功能大集成，如將不同功能的芯片或模塊集成在一起，實現系統級的功能提升；還包括向第3個維度進行等效的尺寸微縮或者集成度提升，探索三維集成電路等新技術，充分利用垂直空間來提高集成度 。

• 新興技術的融合與發展：量子計算技術、類腦計算技術等新興技術將與集成電路技術不斷融合。量子計算芯片的研究有望帶來計算能力的巨大飛躍，雖然目前量子計算技術還處于發展的早期階段，但隨著技術的不斷進步，量子比特的數量和穩定性不斷提高，量子計算芯片可能會在密碼學、材料科學等領域發揮重要作用。類腦計算技術將繼續發展，類腦芯片可能會在人工智能領域得到更廣泛的應用，其低功耗、高并行性等優點將為人工智能算法提供更高效的硬件支持。此外，光計算技術也可能與集成電路技術相結合，利用光的高速傳播和并行性來提高數據處理速度。

二、市場需求導向下的發展趨勢

• 針對特定應用的定制化芯片：隨著新興應用領域的不斷發展，針對特定應用的定制化芯片需求

芯片封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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