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一 、前言
芯片被喻為信息時代的“發(fā)動機”，是各國競相角逐的“國之重器”，是一個國家高端制造能力的綜合體現(xiàn)。
雖然我國有著全球最大的半導體市場，并且已成為繼美國之后的全球第二大集成電路設計重鎮(zhèn)，但目前集成電路的主流產品仍然主要集中在中低端，除了移動通信終端和網(wǎng)絡設備的部分集成電路產品占有率超過 10% 外，高端芯片的占有率幾乎為零。
鑒于種種原因和風起云涌的國際形勢，今年上半年我國電子企業(yè)普遍加快了微電子、集成電路等產品研發(fā)，投資增長了 43.6%。集成電路產業(yè)正在成為各大城市的共同選擇，各地方政府、集成電路企業(yè)、資本、高校和研究中心都在準備充分發(fā)揮區(qū)域協(xié)同創(chuàng)新能力，共同打造地區(qū)集成電路“芯”高地。
我國集成電路首次大規(guī)模投資熱潮發(fā)生在上世紀 80 到 90 年代，具有代表性的有當時的“531 戰(zhàn)略”、“908 工程”（無錫華晶）和“909 工程”（上海華虹 NEC）。這些工程盡管當時在很大程度上改善了我國集成電路的生產工藝條件，但是，行業(yè)的整體競爭力并沒有多大的提升，主要因為一方面技術缺乏前瞻性，一些工藝線剛投產即落后，另一方面只注重引進工藝生產線，缺乏整體布局和對基礎技術研發(fā)的重視。
第二波“芯片熱”爆發(fā)在本世紀初，由于中國市場自身的需求以及政府的扶持，當時集成電路成為了所謂的風口，大量資金涌入，充滿了各種躁動。2003 年前后中國集成電路行業(yè)有代表性的企業(yè)有杭州士蘭微、上海貝嶺、華虹 NEC、北京的中星微電子和大唐微電子等。2005 年，憑借攝像頭芯片業(yè)務，中星微電子登陸納斯達克，成為國內第一個登陸納斯達克的芯片企業(yè)。直到 2006 年陳進的“漢芯事件”曝光，這波芯片熱潮才慢慢退去。
從 2006 年到現(xiàn)在，我國集成電路科技創(chuàng)新主要由“核高基”和“大基金”主導?！昂烁呋笔恰昂诵碾娮悠骷?、高端通用芯片及基礎軟件產品”專項的簡稱。2006 年，國務院頒布了《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020 年）》，將“核高基”列為 16 個科技重大專項之首，與載人航天、探月工程等并列?！按蠡稹笔浅闪⒂?2014 年的國家集成電路產業(yè)投資基金，專為促進集成電路產業(yè)的發(fā)展而設立。目前，這兩股力量仍側重于“填補空白、補齊短板”，主要成果有用于神威超級計算機的申威 CPU 和用于北斗衛(wèi)星的龍芯處理器。
總的來說，我國近幾十年來在集成電路上有過不少努力，也出現(xiàn)過幾次熱潮，但基本上是“戰(zhàn)術上的勤奮”，缺少前瞻性思維和戰(zhàn)略視野。因此，總逃不出一個“落后-追趕-再落后”循環(huán)的怪圈。要知道，戰(zhàn)術上的勤奮永遠彌補不了戰(zhàn)略上的缺失和懶惰。當前，我們必須清醒地認識到，隨著摩爾定律的放緩(摩爾定律預計在 2021-2025 年走向終結)，進一步減小芯片線寬難度越來越大。目前的解決方案是通過光學信號處理(光子計算和光子芯片)和 AI 突破摩爾定律的限制，這也必將帶來芯片技術發(fā)展的新形勢和新機遇。因此，在世界新一輪科技革命同我國轉變發(fā)展方式的歷史性交匯點， 科技創(chuàng)新角逐空前激烈時期，我們任何戰(zhàn)略誤判都有可能帶來災難性的后果。
集成電路領域作為我國技術創(chuàng)新的高地，在未來的規(guī)劃上，應有更高的戰(zhàn)略視野和更前瞻的謀劃。以“超前布局為主，補足關鍵短板為輔”為原則，明確將“光子 +AI”作為未來芯片發(fā)展的戰(zhàn)略方向。努力實現(xiàn)關鍵核心技術自主可控，抓住千載難逢的歷史機遇，有力支撐世界科技強國建設。讓新型芯片技術真正發(fā)揮創(chuàng)新引領發(fā)展的第一動力作用，這樣才能站上世界科技競爭和未來發(fā)展的戰(zhàn)略制高點。
二、在傳統(tǒng)芯片領域，堅持有所為和有所不為
在傳統(tǒng)芯片領域，門檻最高的是 RRU 基站設備相關的中/射頻芯片和 DSP/FPGA 芯片、高速相干光通信芯片以及高端服務器處理器芯片。這些領域要想實現(xiàn)國產替代，需要較長時間和更多的投入，因此，傳統(tǒng)芯片應重點放在這四個領域。手機產業(yè)等相關的中低端芯片門檻相對較低，一些細分領域的國產芯片甚至已經(jīng)成為國際龍頭，這些領域可由企業(yè)根據(jù)自身利益通過市場來解決。
(1) RRU 基站設備相關的中/射頻芯片和 DSP/FPGA 芯片
基站芯片的成熟度和高可靠性要求與消費級芯片不可同日而語，從開始試用到批量使用起碼需要兩年以上的時間，呈現(xiàn)技術更迭快、門檻高和自給率低的特點。目前，中興和華為在基帶芯片上基本達到自給，都有自主研發(fā)的基帶芯片。但是在中/射頻領域，主要由 TI、ADI、Qorvo 和 IDT 等歐美廠商壟斷。同時,TI 和 ADI 都在加速研發(fā)多通道、高集成的單芯片解決方案，以滿足 5G 大規(guī)模天線基站的要求，如 TI 的 AFE75XX 系列和 ADI 的 AD93XX 系列等。在這個領域，國產芯片廠商才剛剛起步，如南京美辰微電子通過前期參與國家重大專項《基于 SiP RF 技術的 TD-LTE/TD-LTE-Advanced/TD-SCDMA 基站射頻單元的研發(fā)》，獲得了較大的技術提升，在正交調制器、混頻器、VGA、鎖相環(huán)、DPD 接收機和 ADC/DAC 等芯片產品方面已有可量產的方案。后續(xù)可通過定點扶持實現(xiàn)該領域產業(yè)能力的進一步提升。
此外，高性能 DSP/FPGA 芯片基本上由 TI 和 Xilinx 壟斷。尤其 Xilinx 最近推出的高集成 RFSoC 芯片，融合了多通道的 DAC/ADC 和高端 FPGA,無論在軟件定義無線電(SDR)系統(tǒng)還是在軟件定義光學網(wǎng)絡(SDO)上都具有很大的優(yōu)勢。在這方面，目前國內基本無對標產品，后續(xù)需要重點扶持和加大投入。
(2) 高速相干光通信設備相關的芯片
光通信模塊主要采用的芯片有 TA (跨阻放大器)、APD (雪崩光二極管)、LA ( Limiting Amplifier)、激光器芯片( VCSEL、DFB 和 EML)、lCT/ICR (集成相干發(fā)射機/集成相干接收機)和 DWDM 等。目前低于 40Gbps 以下的非相干光通信芯片和模塊自給率尚可，但是 100Gbps 以上的高端芯片，尤其高速 ICT/ICR (集成相干發(fā)射機/集成相干接收機)芯片仍需突破。高速 ICT/ICR 芯片目前主要有歐美日公司，如 Infinera、Fujitsu、Finisar、Acacia、NeoPhotonics、0claro 和 Elenion 等。國內光迅科技和初創(chuàng)公司 SiFotonics 開始提供 100Gbps-QPSK 集成相干接收機芯片和解決方案，芯耘光電公司預計也在 2019 年完成 100Gbps 芯片方案研發(fā)。同樣，后續(xù)可通過定點扶持實現(xiàn)該領域產業(yè)能力的進一步提升。
(3) 高端服務器處理器芯片
目前,lntel 在高端服務器處理器芯片的市場占有率已經(jīng)高達 99%，其 X86 架構加上微軟的軟件生態(tài)，已經(jīng)處于絕對壟斷的地位。但是，近年在云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能推動下，服務器市場需求強勁。全球又掀起了一股高端服務器處理器芯片競爭熱潮，這其中主要有 AMD 最新的 Zen 處理器芯片和 ARM 引領的精簡指令集架構。Zen 架構的“突破性性能”可以匹敵英特爾速度最快的 10 納米 Broadwell-E 處理器，其產品系列包括基于 Zen 架構的 8 核(16 線程）的 Summit Ridge 臺式機處理器芯片以及 32 核(64 線程)的 Naples 服務器處理器芯片。ARM 服務器芯片生態(tài)鏈上的企業(yè)則主要有 Marvell (收購 Cavium 獲得的 ARM 服務器芯片業(yè)務)、Ampere 和中國的華芯通等。其中， Ampere 為了構建軟件生態(tài)系統(tǒng)，在工具端、B0S/BMC 和操作系統(tǒng)上積極與 Java 等領先廠商合作開發(fā)，旨在幫助客戶解決遷移到云端的問題。我國的貴州華芯通半導體技術有限公司也于今年正式發(fā)布其 ARM 架構的 48 核的服務器芯片-昇龍(StarDragon)。昇龍?zhí)幚砥髑度肓朔现袊吧逃妹艽a算法”標準的自主硏發(fā)的密碼模塊及軟件解決方案。
由于 Wintel 生態(tài)過于強大，考慮到運行在云端的軟件無須傳承于任何傳統(tǒng)企業(yè)，我們在高端服務器芯片上的突破應該從 ARM、云計算和 Linux 生態(tài)入手，以保證足夠的設計、創(chuàng)新和提升空間。
三、把發(fā)展下一代光子集成芯片(PIC)作為重中之重
2010 年以來，光子集成技術進入了高速發(fā)展時期，國際上圍繞光子集成技術部署了許多重大的研究計劃，投入了大量的人力物力進行高端光子集成芯片的研發(fā)。歐盟在“Horizon2020”計劃更是集中部署了光子集成研究項目，旨在實現(xiàn)基于半導體材料或二維晶體材料的光電混合集成芯片。2014 年 10 月美國總統(tǒng)奧巴馬宣布光子集成技術國家戰(zhàn)略，聯(lián)邦政府結合社會資本投入 6.5 億美元打造光子集成芯片研發(fā)制備平臺。2015 年，美國建立了“國家光子計劃”產業(yè)聯(lián)盟，明確將支持發(fā)展光子基礎研究與早期應用研究計劃開發(fā)，支持 4 大研究領域及 3 個應用能力技術開發(fā)，并提出了每一項可開發(fā)領域的機會和目標。
除了上述的高速集成相干光發(fā)射機和接收機，光子集成芯片技術還有兩個更重要的分支:一是集成微波光子(IMWP)芯片，主要應用于軍事和民用無線電系統(tǒng)，如意大利的 PHODIR (基于光子學的全數(shù)字雷達)、俄羅斯的基于微波光子學的有源相控陣雷達系統(tǒng) ROFAR、歐洲的 GAA (下一代 SAR 的光子前端)和 HAMLET 計劃等;二是數(shù)字光子芯片，如光學 DSP、光子計算芯片和光子 AI 芯片等。
總體來講，我國光子集成技術還處于起步階段，制約我國光子集成技術發(fā)展的突出問題包括學科和研究碎片化，人才匱乏，缺乏系統(tǒng)架構研究與設計，工藝設備的研發(fā)實力薄弱，缺乏標準化和規(guī)范化的光子集成技術工藝平臺，以及芯片封裝和測試分析技術落后等。幸運的是，該領域尚未形成壟斷和巨頭，如果超前布局，精心組織和重點投入，我們仍有趕超的機會和時間窗。
(1) 集成微波光子(IMWP)芯片
無線技術平臺經(jīng)過數(shù)十年從數(shù)字無線電到軟件無線電的演進，目前下一代無線技術平臺正在呼之欲出。未來全球電信網(wǎng)絡以及雷達、通信和航天工業(yè)中新興的大規(guī)模應用都將需要全新的技術來解決當前電子技術對于大容量和超寬帶連接的限制。鑒于集成微波光子芯片具有更高的精度、更大的帶寬、更強的靈活性和抗干擾能力，因此被認為是具有競爭力的下一代無線技術平臺。俄羅斯甚至稱有可能徹底放棄微波電子學，轉而專攻微波光子學。目前在俄羅斯大約有 850 家公司參與微波光子學的研究和開發(fā)。此外，歐盟也正聯(lián)合開發(fā)新型全光子 28GHz 毫米波 mMIMO 收發(fā)信機芯片，并將于 2018 年底推出第一個版本。參與該研發(fā)計劃的公司和研究機構有 LioniX、Solvates、SATRAX、Linkra、Fraunhofer HHI 和 NTU 的 ICCS,并通過異構集成，結合了 PolyBoard 和 TriPleX 兩個工藝平臺的優(yōu)勢。
在集成微波光子芯片領域，我國仍處于基礎研究階段，不久前剛結束的國家 973 計劃項目“面向寬帶泛在接入的微波光子器件與集成系統(tǒng)基礎研究”重點針對微波光子相互作用下的高帶寬轉換機理、高精細調控方法和高靈活協(xié)同機制等 3 個科學問題，在微波光子作用機理、關鍵器件與原型系統(tǒng)方面取得了重要突破，為未來發(fā)展提供了相應的理論與技術支撐。項目團隊研制了覆蓋L/S/Ku/Ka 波段的靈活可變的微波光子柔性衛(wèi)星轉發(fā)器樣機，以及構建了分布式大動態(tài)可協(xié)同的智能光載無線(I-RoF)原型系統(tǒng)與研究平臺。該項目所取得的“寬帶集成、穩(wěn)相傳輸和多頻重構”等創(chuàng)新成果在嫦娥三號Ⅹ波段信標信號采集、北斗導航高軌衛(wèi)星的軌道監(jiān)測和微波光子柔性衛(wèi)星轉發(fā)器等國家重大工程中得到驗證和技術應用。
集成微波光子芯片主要在光學域上實現(xiàn)射頻信號的處理，其功能可以覆蓋無線系統(tǒng)的整個射頻信號鏈，包括濾波、IQ 調制、UC/DC (上轉換/下轉換)、頻率合成器、AWG (任意波形生成)和光子 ADC/光子 DAC 等。隨著集成相干光學、集成微波光子學、超大規(guī)模光子集成電路、光學頻率梳、光子 ADC 和光子數(shù)字信號處理技術的發(fā)展,集成微波光子芯片甚至可以發(fā)展到大規(guī)模 ASPIC 或 PSoC (光子專用集成電路)，并可能在未來5-10 年內顛覆整個 RF 技術生態(tài)，使真正的光子定義無線電( Photonics Defined Radio, PDR)系統(tǒng)成為可能。
在規(guī)劃和發(fā)展路徑上，我們可以首先面向國防、航天、5G/B5G 和 6G 移動通信的需求，從單片或單功能集成開始，提升設計和工藝水平，逐步發(fā)展大規(guī)模集成微波光子芯片。
(2) 高性能光子計算芯片和光子 AI 芯片
光子計算被認為是突破摩爾定律的有效途徑之一，且更適合線性計算。光子器件的開關速度比電子器件更快，而且光波具有不同的波長、頻率、偏振態(tài)和相位信息，可以用來代表不同的數(shù)據(jù),因而光子計算具有內稟的高維度的并行計算特性。光子計算超強的線性計算能力有望成為未來高性能計算的“圣杯”。
2016 年 MIT 提出了使用光子代替電子作為計算芯片架構的理論，并稱之為可程序設計納米光子處理器。美國的艾克塞特大學、牛津大學和明斯特大學三所高校正在聯(lián)合研發(fā)光子計算芯片?？屏_拉多大學的科研人員日前已研制成功世界上第一款以光子處理和傳輸信息的微處理器芯片。
英國 0ptalysys 公司于 2017 年發(fā)布了第一代高性能桌面超級光子計算機(最高可達到 9Pfps 的處理速度)，其光子處理器采用 PCI 擴展卡與普通計算機進行通訊(PCI 擴展卡是用于升級圖形處理器或服務器的標準組件)。同時,0ptalysys 公司還承擔了一個五角大樓的研究項目-超級計算機的桌面化技術，以及一個歐洲的項目-提高天氣仿真能力。Optalysys 計劃在 2020 年之前推出 Efps 級別的更高性能的系統(tǒng)。
除了傳統(tǒng)的高性能計算外，光子芯片也將是未來 AI 計算的硬件架構，可能徹底淘汰現(xiàn)在的 GPU,并且是未來量子計算的候選方案之一。
過去十年中，在構建光子計算芯片的基礎研究和基礎工藝方面的投資開始得到回報。2016 年，美國普林斯頓大學研制了全世界第一個光子神經(jīng)形態(tài)芯片。該芯片擁有超快的計算能力，并利用光子解決了神經(jīng)網(wǎng)絡電路速度受限的難題，開辟了光子計算的新篇章。2017 年，英國牛津大學的研究人員使用特殊的相變材料與集成光子技術開發(fā)出一種光子芯片，可形成與人腦相似的“光子突觸”，其運行速度比人腦神經(jīng)突觸快 1000 倍。法國初創(chuàng)公司 Light0n 成功開發(fā)了利用激光處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。該公司的目標是，在機器學習中通過將信息與隨機數(shù)據(jù)相乘的方式壓縮數(shù)據(jù)。不同的是,Light0n 的系統(tǒng)利用了光通過半透明材料時發(fā)生的隨機散射效應，能更容易地獲得相同的效果。
Lightelligence 公司計劃于 2019 年第一季度推出光子計算芯片產品。 Lightmatter 公司也正在用光子技術來増強電子計算機的性能，從根本上推出足夠強大的全新計算芯片，以促進下一代人工智能的發(fā)展。
我國在該領域的研究和產業(yè)化基本還是空白，理應積極布局，統(tǒng)籌規(guī)劃，否則在未來的光子信息時代，我們將又一次飽嘗“缺芯缺腦”之痛。
(3) 加強光子集成相關的基礎研究和人才培養(yǎng)
正如前面所述，我國光子集成技術發(fā)展面臨學科和研究碎片化、人才匱乏、缺乏系統(tǒng)架構研究與設計等問題。我國有關光子學的研究機構眾多，專業(yè)繁雜，有武漢光電國家實驗室、集成光電子學國家重點聯(lián)合實驗室、北京郵電大學信息光子學與光通信國家重點實驗室、上海交通大學光子集成與量子信息實驗室、南京大學微波光子技術研究中心、東南大學先進光子學中心、南京航空航天大學微波光子學實驗室、中國科學技術大學量子材料與光子技術實驗室、浙江大學光子材料與器件實驗室、廈門大學半導體光子學研究中心、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室、中山大學光電材料與技術國家重點實驗室以及各學校的光電科學與工程學系。因此，建議對標“微電子學”建立“微光子學”二級學科，規(guī)范和加強光子集成技術的人才培養(yǎng)。同時引導各研究機構分工協(xié)作，在自己的優(yōu)勢領域重點攻關，從而最終形成整體突破。
(4) 優(yōu)化光子集成產業(yè)生態(tài)，構建長效戰(zhàn)略合作機制
加強光子集成技術制造裝備研發(fā)，建立光子集成芯片開放性的工藝加工平臺，為高端光子集成芯片研發(fā)和生產提供技術支撐和服務。建立光子集成設計和制備技術標準化體系，增強整個產業(yè)的國際話語權。鼓勵建立光子集成產業(yè)協(xié)作聯(lián)盟，整合產業(yè)中分散的研發(fā)力量，完善創(chuàng)新體系與產業(yè)生態(tài)環(huán)境。
張江光子國家實驗室牽頭承擔的硅光子重大專項已經(jīng)取得突破，具備了光子集成芯片的制造能力。預計今年年內，我國第一條硅光子研發(fā)中試線將在滬建成。后續(xù)可結合 PolyBoard 和 TriPleX 兩個工藝平臺的優(yōu)勢拓展成一個異構平臺，未來作為地區(qū)甚至國家級光子集成芯片開放性的工藝平臺。
(5) 加強國際合作，努力實現(xiàn)我國光子集成技術的跨越式發(fā)展
我國在光子集成技術領域與歐美日俄尚有一定的差距，我們要充分利用荷蘭、意大利、西班牙、德國、比利時、俄羅斯和日本等歐亞國家在光子集成芯片等高端技術的優(yōu)勢，加強交流與合作，迅速提升光子集成技術方面的研發(fā)能力。同時，把張江光子國家實驗室建成光子集成技術的國際交流平臺。此外，加大光子集成產業(yè)核心人才引進力度，繼續(xù)推動出臺針對相關人才回國就業(yè)和創(chuàng)業(yè)的支持政策。引導和鼓勵資本適當?shù)剡M行必要的合資和并購，快速提升我國光子集成的自主產業(yè)能力。
四、爭取在 AI 芯片新型架構創(chuàng)新上取得突破
今年以來,AI 芯片初創(chuàng)公司呈現(xiàn)爆炸式增長，各種 AI 芯片 xPU 如雨后春筍，已經(jīng)達數(shù)十家之多。當前無論基于多核 CPU、GPU、還是 FPGA 架構的 AI 芯片本質上都不是真正的 AI 芯片，實際上是用現(xiàn)有的、相對成熟的架構和技術去應對全新的人工智能，并沒有革命性的技術突破。它們往往無法滿足 AI 的需求，也預示著目前許多所謂的 xPU 最終將是曇花一現(xiàn)。
通常 CPU 和 GPU 被設計成用來運行完整的程序，不是數(shù)據(jù)驅動的。而機器學習與 CPU 和 GPU 處理完全不同，是不斷訓練程序使用數(shù)據(jù)的過程，然后在不進行明確編程的情況下進行推理，需要完全不同類型的處理器。AI 芯片需要循環(huán)使用訓練數(shù)據(jù)，必須擅長處理數(shù)據(jù)之間的連接關系，比如可以用圖形表示數(shù)據(jù)之間的相關性和其他關系?？梢哉f,AI 的神經(jīng)網(wǎng)絡的總體目標是創(chuàng)造大而復雜的連接關系網(wǎng)絡，這個網(wǎng)絡不僅可以是稀疏的、多層級的，而且可以彼此循環(huán)、學習和改進。所以,AI 芯片是“連接-存儲-計算”的范式，而傳統(tǒng) CPU/GPU 是馮諾依曼結構，即“計算-存儲-連接”的范式。從這個意義上來說，范式轉變和架構創(chuàng)新是未來 AI 芯片取得突破和成功的關鍵。
第一類創(chuàng)新架構的方向是計算和存儲一體化(processing-in-memory)，即在分布式存儲單元里面加上計算的功能。其中，具有代表性的是英國 Graphcore 公司的人工智能芯片 IPU (Intelligence Processing Unit)。IPU 采用 16nm 工藝，大規(guī)模多核陣列(大于 1000 個核)架構，每個核都有一個存儲單元(沒有外接共享存儲，是完全芯片內分布式存儲)，同時支持訓練和推理。最近，美國的 SRC 啟動了一個 1.5 億美金的 5 年研究計劃 JUMP,其中一個方向也是 Intelligent memory and storage。
第二類創(chuàng)新架構的方向是類腦芯片，典型的有 IBM 公司的類腦芯片 TrueNorth、英特爾的自我學習芯片 Loihi 和高通的 Zeroth 芯片等。國內最近幾年在類腦芯片研發(fā)上也不甘示弱，上海西井科技這樣的初創(chuàng)公同也在進行類腦芯片的研發(fā)，清華等知名高校則紛紛建立類腦研究中心，浙大甚至推出自己的“達爾文”類腦芯片。相比于傳統(tǒng)芯片，類腦芯片的確在功耗上具有絕對優(yōu)勢，拿英特爾的 Loihi 來說，不僅其學習效率比其他智能芯片高 100 萬倍，而且在完成同一個任務所消耗的能源比傳統(tǒng)芯片節(jié)省近 1000 倍。
第三類創(chuàng)新架構的方向是前面所說的“光子神經(jīng)網(wǎng)絡”，光子芯片或將是未來 AI 計算的硬件架構。
芯片架構就如同軟件的操作系統(tǒng)，一種架構一旦成為主流，其它架構就很難有成功的機會。傳統(tǒng)高端處理器芯片架構是 lntel 的 x86、AMD 的 K6、ARM 的 Advanced-RISC 和 GPU 四足鼎立。AI 芯片架構也初現(xiàn)端倪，未來我們能否有一席之地，關鍵還看我們的謀劃能力和創(chuàng)新力度。正如 RISC 先驅 David Patterson 所說，現(xiàn)在是處理器芯片架構創(chuàng)新的黃金時代。我國作為 AI 芯片架構領域的重要研發(fā)基地，有上海西井科技、浙大的類腦芯片和清華、南京大學等的基礎研究，理應走在 AI 芯片架構創(chuàng)新的前列。
五、加強其它前沿芯片技術的研究
除了上述比較明確的技術和產業(yè)趨勢，下面幾個關鍵技術其中任何一個取得突破都會對未來的集成電路技術產生顛覆性的影響，因此這些都需要我們加強研究和緊密跟蹤。
?。?）碳納米管晶體管及芯片技術
碳納米管(CNT)是碳原子的管狀結構。這些管狀結構可以是單壁(SWNT)或多壁(MWNT)的，直徑一般在幾納米的范圍內。它們的電特性根據(jù)其分子結構而變化，介于金屬和半導體之間。碳納米管場效應晶體管( CNTFET)由兩個通過 CNT 連接的金屬觸點組成。這些觸點是晶體管的漏極和源極，柵極位于 CNT 的旁邊或周圍，并通過一層氧化硅分離。
基于納米管的 RAM 是由 Nantero 公司開發(fā)的非易失性隨機存取存儲器的專有存儲器技術(該公司也將此存儲器稱為 NRAM)。理論上,NRAM 可以達到 DRAM 的密度，同時提供類似于 SRAM 的性能。該領域未來最有希望應用于高性能計算機(HPC)的是碳納米管場效應晶體管(CNTFET)、基于納米管的 RAM (或 Nano-RAM)以及芯片冷卻的改進等。CNT 是非常好的導熱體，因此，可以顯著改善 CPU 芯片的散熱。
（2）石墨烯晶體管及芯片技術
石墨烯是一種厚度為單一原子的二維結構的材料。石墨烯實現(xiàn)在半導體村底上生長被認為是一個重要的走向實用的里程碑。2010 年,IBM 研究人員展示了一種截止頻率為 100GHz 的射頻石墨烯晶體管。這是迄今為止石墨烯器件達到的最高頻率。2014 年， IBM Research 的工程師開發(fā)出世界上最先進的石墨烯芯片，其性能比以前的石墨烯芯片高出 10000 倍。
除了用于制備 RF 器件，由于石墨烯制造方法實際上與標準硅 CM0S 工藝兼容，并且具有出色的導熱和導電能力，因此未來有可能實現(xiàn)商用石墨烯計算機芯片。
(3) 金剛石晶體管及芯片技術
金剛石的加工方式可以和半導體類似，因此可以用來制備基于金剛石的晶體管。東京工業(yè)大學的研究人員制備了具有橫向p-n 結的金剛石結型場效應晶體管(JFET)。該器件具有優(yōu)異的物理性能，如 5.47eV 的寬帶隙,10MV/cm 的高擊穿電場(比 4H-Si0 和 GaN 高3-4 倍)，以及 20W/mK 的高導熱率(比 4H-Si0 和 GaN 高4-10 倍)。目前制造的金剛石晶體管的柵極長度在幾個微米范圍內，與當前 22nm 技術相比仍偏大。為了實現(xiàn)高速工作的芯片(傳播延遲的限制)，未來需要進一步減小柵極尺寸。
金剛石的高導熱性比傳統(tǒng)半導體材料高幾個數(shù)量級，可以更快地散熱，能解決 3D 芯片堆疊模塊的溫度問題，這樣，預計基于金剛石的芯片能耗更低和高溫工作能力更強。
來自: 湖杉資本公眾號
