内容简介
当前和今后一段时期将是我国集成电路和光电芯片技术发展的重要战略机遇期和攻坚期，加强自主集成电路和光电芯片技术的研发工作，布局和突破关键技术并拥有自主知识产权，实现集成电路产业的高质量发展是我国当前的重大战略需求。《中国集成电路与光电芯片 2035发展战略》面向 2035年探讨了国际集成电路与光电芯片前沿发展趋势和中国从芯片大国走向芯片强国的可持续发展策略，围绕上述相关方向开展研究和探讨，并为我国在未来集成电路和光电芯片发展中实现科技与产业自立自强，在国际上发挥更加重要作用提供战略性的参考和指导意见。
精彩书摘
绪论
第一节 科学意义和战略价值
自1958年第一个集成电路问世以来，以半导体材料为基础的集成电路芯片技术取得了突飞猛进的发展。集成电路是微电子学的主要研究对象和代表性产品，以集成电路为基础的信息产业已经成为世界第一大产业。集成电路元器件组成的功能芯片可以将外界信息按照指令需求采集、获取并进行一系列的处理和执行。根据不同的应用场景，人们可以选择不同的元器件集成组装成各种应用设备，如用于快速读存信息的固态硬盘主要由非易失性存储元器件构成，照相机的成像部分通过电荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）或互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）来实现图像传感等。面向不同应用的半导体元器件构成的集成电路芯片在过去几十年的发展历程中完全改变了人类的生活方式。信息交互、货币流通、医疗娱乐等逐渐从20世纪的实体方式转变成更加虚拟和数字化的方式。由于新冠疫情的暴发，公共卫生标准升高，视频会议和线上沟通成为面对面社交的替代方案，直播和电商购物改变了单一的实体店购物模式，线上
问诊和虚拟游戏逐渐分流了一大部分的面诊患者和肢体运动类游戏用户。可
以说，集成电路技术的发展极大地促进了集成电路应用产业的扩大。基于集成电路的应用丰富了信息获取的多样性（听觉、视觉、触觉）、信息存储的综合性（文字、数据、图像、音频、视频）、信息处理的复杂性（大数据、云计算、人工智能）和信息传输的时效性与广域性，开创了全新全面革命的信息时代。
为了实现速度更快、能耗更低、应用更广的芯片功能，在过去的几十年里，产业界一直通过晶体管微缩化来完成这一技术目标（Intel，2022）。然而，随着集成电路特征尺寸逼近工艺和物理极限，一方面，人们依然沿用以往的技术路线，通过引入极紫外光刻等尖端技术，晶体管尺寸得以进一步按比例微缩化，同时借助三维（3D）集成等技术继续提升集成电路芯片算力；另一方面，随着大数据时代和人工智能时代的到来，人们也开始探索能够满足更高算力、更低能耗需求的新型架构和工艺技术。为满足大数据产业而产生的非冯？诺依曼架构芯片、人工智能产业催生的类脑芯片以及完全颠覆比特概念的量子超算芯片等技术成为集成电路发展的新方向。同时，光电芯片经过长期的技术积累也已经开始在信息产业中广泛应用，尤其是通信产业中的光通信芯片已经成为极其重要且不可或缺的部分。光电芯片的核心技术是利用半导体材料的光电转化能力，即半导体材料可以通过吸收光子而产生电子，也可以通过电子的湮灭而发射光子。相比纯电子芯片，以硅基光电芯片、Ⅲ-Ⅴ族半导体光电芯片及柔性光电芯片为代表的光电芯片在信息处理、光学传感和显示方面具有传输处理速度更快、更为灵敏和功耗更低等显著优点。这些核心光电芯片，配合高速驱动、读出、放大和时钟电路等，通过高精度、高可靠性的光电耦合封装技术，形成功能模块或子系统，应用在数据中心、超级计算机、汽车自动驾驶、家用机器人、电信设备等大量既提高国家硬实力，又颠覆性地改变人们生活的民用领域，并*终形成完整的产业链。为了满足信息技术向大容量、低功耗、集成化与智能化方向发展的新需求，多功能材料体系异质集成、光电融合集成和多维度/多参量/多功能/高效率调控及可重构成为光电芯片发展的主流方向。
集成电路与光电芯片技术是信息产业的基石，对提升国家综合实力和保障国家安全具有极为重要的战略意义。在信息技术强国普遍对我国实行严厉技术封锁和打压的国际环境下，实现我国集成电路与光电芯片自立自强，在关键技术方面重点突破并拥有自主知识产权，实现集成电路产业的自主可控发展是我国当前的重大战略需求。根据世界半导体贸易统计组织统计的数据，2021年全球半导体市场规模超过5560亿美元，同比增长超过26.2%，达到近十年来*大增幅。我国拥有全球*大的半导体产品消费市场，国内芯片进口额连续6年超过2000亿美元，2021年集成电路进口额突破4000亿美元，同比增长23.6%（WSTS，2021）。2014年，工信部发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》，对我国高端集成电路技术发展目标做了明确部署。近些年，我国集成电路产业持续稳步发展。赛迪智库集成电路研究所统计，2021年，不包括设备材料，我国集成电路产业规模达到9666亿元。集成电路出口方面，由于全球产能紧缺，加上我国若干新建产线投产，2021年我国集成电路出口额超过1500亿美元。但是，从技术上来讲，我国面临的形势是复杂和严峻的。我国高端半导体器件、集成电路与光电芯片的进口量仍然很大，自主研发的微电子、光电子器件和芯片核心技术积累仍显不足。在目前技术封锁的国际形势下，我国在集成电路芯片和光电芯片技术方面的滞后已经影响到我国部分产业的安全。2015年3月美国商务部开始对我国采取限制出口措施，2018年8月美国“2018财年国防授权法案”禁止美国政府机构和承包商使用我国的某些技术，2019年5月美国商务
目录
目录
总序 i
前言 vii
摘要 xi
Abstract xiii
绪论 1
第一节 科学意义和战略价值 1
第二节 产业发展规律与特点 4
第三节 发展现状与挑战 6
第四节 发展趋势与本书安排 9
第一章 先进 CMOS器件与工艺 12
第一节 科学意义与战略价值 12
第二节 技术创新与挑战 13
一、堆叠纳米线/纳米片环栅晶体管器件 13
二、3D垂直集成器件 18
三、新机制、新材料半导体器件 21
第三节 工艺技术创新与挑战 23
一、光刻领域技术发展与挑战 23
二、器件互连寄生问题与挑战 27
三、器件可靠性与挑战 31
第四节 协同优化设计 35
一、DTCO技术发展现状及形成 35
二、DTCO关键技术和发展方向 36
第二章 FD-SOI技术 38
第一节 科学意义与战略价值 38
第二节 技术比较 39
第三节 技术现状 40
一、FD-SOI技术产业链 41
二、先进工艺厂商对FD-SOI工艺技术的推进 41
三、FD-SOI技术的应用领域 42
第四节 技术发展方向 44
一、应变SOI 44
二、绝缘层上的锗硅（SiGeOI） 44
三、绝缘层上的锗（GeOI） 45
四、绝缘体上的Ⅲ-Ⅴ族半导体（Ⅲ-Ⅴ族OI） 45
五、XOI 46
六、万能离子刀技术 46
第五节 技术路线与对策 47
第三章 半导体存储器技术 49
第一节 存储器概述 49
一、半导体存储器产业发展现状 49
二、DRAM技术及发展趋势 52
三、Flash技术及发展趋势 54
四、面临的问题与挑战 57
第二节 新型存储器技术 59
一、阻变式存储器 59
二、磁性随机存取存储器 63
三、相变存储器 68
四、铁电存储器 73
第三节 总结与展望 77
一、DRAM发展展望 79
二、Flash发展展望 80
三、RRAM发展展望 81
四、MRAM发展展望 81
五、PCM发展展望 82
六、铁电存储器发展展望 82
第四章 集成电路设计 84
第一节 科学意义与战略价值 84
第二节 通用处理器 85
一、重要意义及发展现状 85
二、处理器关键技术及展望 86
三、技术展望 88
四、技术及产业发展建议 89
第三节 智能处理器 89
一、战略地位与发展规律 89
二、发展现状与特点 90
三、智能处理器发展与展望 93
第四节 FPGA及可重构计算芯片 93
一、战略地位 93
二、发展规律与研究特点 94
三、发展现状 96
四、发展展望 97
第五节 模拟前端及数据转换器 98
一、战略意义与发展规律 98
二、发展现状和研究特点 100
三、发展展望 102
第六节 射频集成电路 103
一、战略地位 103
二、发展规律与研究特点 104
三、发展现状与技术趋势 105
四、发展布局 106
第七节 图像传感器及探测器 107
一、战略地位 107
二、发展规律与研究特点 108
三、发展现状 108
四、发展展望 109
第五章 集成电路设计自动化 112
第一节 科学意义与战略价值 112
第二节 前沿领域的现状及其形成 113
第三节 关键科学与技术问题 119
一、面向大规模复杂数字系统的形式验证、逻辑综合方法 119
二、电子设计的关键环节从自动化迈向智能化 120
三、设计复用问题 121
四、高速数字系统的信号完整性仿真方法 122
五、模拟集成电路设计与优化方法 123
六、模拟电路物理布局布线方法 124
七、纳米尺度器件物理机制模拟仿真 125
八、新型存储器的存储与输运模型建模 126
九、器件-电路-系统的协同设计方法学 126
第四节 发展建议 127
第六章 跨维度异质集成 129
第一节 科学意义与战略价值 129
第二节 技术现状分析 130
一、发展路径 130
二、研究现状 131
三、国际竞争力评估 134
四、发展趋势 135
第三节 关键科学问题、技术问题 136
一、关键科学问题 136
二、关键技术问题 139
第四节 发展措施与建议 143
第七章 先进封装技术 145
第一节 科学意义与战略价值 145
一、半导体产业演变与驱动 145
二、先进封装技术的演变 146
第二节 芯片封装互连技术 146
一、芯片封装键合技术 146
二、芯片封装底部填充技术 150
三、高密度芯片封装键合技术的挑战 152
第三节 典型先进封
试读
绪论
第一节 科学意义和战略价值
自1958年第一个集成电路问世以来，以半导体材料为基础的集成电路芯片技术取得了突飞猛进的发展。集成电路是微电子学的主要研究对象和代表性产品，以集成电路为基础的信息产业已经成为世界第一大产业。集成电路元器件组成的功能芯片可以将外界信息按照指令需求采集、获取并进行一系列的处理和执行。根据不同的应用场景，人们可以选择不同的元器件集成组装成各种应用设备，如用于快速读存信息的固态硬盘主要由非易失性存储元器件构成，照相机的成像部分通过电荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）或互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）来实现图像传感等。面向不同应用的半导体元器件构成的集成电路芯片在过去几十年的发展历程中完全改变了人类的生活方式。信息交互、货币流通、医疗娱乐等逐渐从20世纪的实体方式转变成更加虚拟和数字化的方式。由于新冠疫情的暴发，公共卫生标准升高，视频会议和线上沟通成为面对面社交的替代方案，直播和电商购物改变了单一的实体店购物模式，线上
问诊和虚拟游戏逐渐分流了一大部分的面诊患者和肢体运动类游戏用户。可
以说，集成电路技术的发展极大地促进了集成电路应用产业的扩大。基于集成电路的应用丰富了信息获取的多样性（听觉、视觉、触觉）、信息存储的综合性（文字、数据、图像、音频、视频）、信息处理的复杂性（大数据、云计算、人工智能）和信息传输的时效性与广域性，开创了全新全面革命的信息时代。
为了实现速度更快、能耗更低、应用更广的芯片功能，在过去的几十年里，产业界一直通过晶体管微缩化来完成这一技术目标（Intel，2022）。然而，随着集成电路特征尺寸逼近工艺和物理极限，一方面，人们依然沿用以往的技术路线，通过引入极紫外光刻等尖端技术，晶体管尺寸得以进一步按比例微缩化，同时借助三维（3D）集成等技术继续提升集成电路芯片算力；另一方面，随着大数据时代和人工智能时代的到来，人们也开始探索能够满足更高算力、更低能耗需求的新型架构和工艺技术。为满足大数据产业而产生的非冯？诺依曼架构芯片、人工智能产业催生的类脑芯片以及完全颠覆比特概念的量子超算芯片等技术成为集成电路发展的新方向。同时，光电芯片经过长期的技术积累也已经开始在信息产业中广泛应用，尤其是通信产业中的光通信芯片已经成为极其重要且不可或缺的部分。光电芯片的核心技术是利用半导体材料的光电转化能力，即半导体材料可以通过吸收光子而产生电子，也可以通过电子的湮灭而发射光子。相比纯电子芯片，以硅基光电芯片、Ⅲ-Ⅴ族半导体光电芯片及柔性光电芯片为代表的光电芯片在信息处理、光学传感和显示方面具有传输处理速度更快、更为灵敏和功耗更低等显著优点。这些核心光电芯片，配合高速驱动、读出、放大和时钟电路等，通过高精度、高可靠性的光电耦合封装技术，形成功能模块或子系统，应用在数据中心、超级计算机、汽车自动驾驶、家用机器人、电信设备等大量既提高国家硬实力，又颠覆性地改变人们生活的民用领域，并*终形成完整的产业链。为了满足信息技术向大容量、低功耗、集成化与智能化方向发展的新需求，多功能材料体系异质集成、光电融合集成和多维度/多参量/多功能/高效率调控及可重构成为光电芯片发展的主流方向。
集成电路与光电芯片技术是信息产业的基石，对提升国家综合实力和保障国家安全具有极为重要的战略意义。在信息技术强国普遍对我国实行严厉技术封锁和打压的国际环境下，实现我国集成电路与光电芯片自立自强，在关键技术方面重点突破并拥有自主知识产权，实现集成电路产业的自主可控发展是我国当前的重大战略需求。根据世界半导体贸易统计组织统计的数据，2021年全球半导体市场规模超过5560亿美元，同比增长超过26.2%，达到近十年来*大增幅。我国拥有全球*大的半导体产品消费市场，国内芯片进口额连续6年超过2000亿美元，2021年集成电路进口额突破4000亿美元，同比增长23.6%（WSTS，2021）。2014年，工信部发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》，对我国高端集成电路技术发展目标做了明确部署。近些年，我国集成电路产业持续稳步发展。赛迪智库集成电路研究所统计，2021年，不包括设备材料，我国集成电路产业规模达到9666亿元。集成电路出口方面，由于全球产能紧缺，加上我国若干新建产线投产，2021年我国集成电路出口额超过1500亿美元。但是，从技术上来讲，我国面临的形势是复杂和严峻的。我国高端半导体器件、集成电路与光电芯片的进口量仍然很大，自主研发的微电子、光电子器件和芯片核心技术积累仍显不足。在目前技术封锁的国际形势下，我国在集成电路芯片和光电芯片技术方面的滞后已经影响到我国部分产业的安全。2015年3月美国商务部开始对我国采取限制出口措施，2018年8月美国“2018财年国防授权法案”禁止美国政府机构和承包商使用我国的某些技术，2019年5月美国商务
