现代电路中的关键技术（五）：集成电路（IC）技术体系的发展趋势

集成电路（IC）作为全球信息产业发展的基础与核心，被誉为“现代工业的粮食”，其应用领域广泛，在电子设备（如智能手机、计算机等）、通信系统、军事科技等方面均得到了大规模应用，对经济建设、社会发展和国家安全具有至关重要的战略意义，也是衡量一个国家或地区现代化程度和综合实力强弱的重要标志。

在前面发布的文章“现代电路中的关键技术（三）：集成电路（IC）的诞生与演进”中，笔者曾提及：今天的中国，消费电子、汽车电子、通信电子等行业都在飞速发展，上述产业发展都需要集成电路来支撑，中国作为制造大国，且作为最大的内需市场，已成为全世界最具影响力的集成电路市场；但因为中国“缺芯”（也就是缺集成电路芯片）情况的日趋严重，所以我们必须加大研发速度、力度和广度，在集成电路领域赶超美欧，刻不容缓地发展中国自主知识产权的核心集成电路芯片及其相关技术体系。

图1 发展中国自主知识产权的核心集成电路芯片及其相关技术体系

这几天，有很多拥有爱国情怀或致力于发展民族实业的读者通过各种方式联系笔者，希望可以探讨集成电路技术体系的未来发展趋势，大家一起朝着若干重要发展方向奋斗前行，早日研发成功并投入实际应用更多更好的“中国芯”。

因此，笔者冒昧地跟大家分享一下关于集成电路未来技术体系发展趋势的所思所得，不一定正确，但乐于与大家一起分享~

技术体系的发展往往是由市场体系所制约、影响和推动。业界普遍认为：集成电路行业的产业链主要包括：上游支撑层、中游制造层及下游应用层，如下图所示。其中，上游支撑层主要包括下述产业：1、涉及电路分析、布局分析和IP授权业务的各类技术服务；2、光刻机、刻蚀机、涂胶显影机、CVD、PVD、离子注入机等关键设备的制造；3、电子设计自动化软件等一系列软件工具或平台的构建；4、相关硅片、光刻胶等核心材料的制备。中游制造层则通常包括设计、生产、封装、测试等产业。下游应用层主要涵盖下述产业：1、机器工控设备等工业产品的制造；2、可穿戴设备及无人机等消费类电子产品的生产；3、CPU、GPU及储存器等计算机相关产品的制备；4、卫星、基站、手机、线缆等产品的研发或应用。

图2 集成电路产业链

在全球范围内，集成电路行业属于知识技术密集型行业，也是现代电路产业的核心行业之一。近年来，全球电子信息市场发展势头强劲，消费者需求日趋多样化，终端应用市场需求不断释放，上述因素加速了集成电路行业创新和发展的进程。国内著名的中商产业研究院依据世界半导体贸易统计组织归纳的数据显示：全球集成电路市场规模呈现出周期性增长趋势（大家可以思考一下，是不是因为新工艺或新技术及其相关技术体系的发展需有一定良率爬坡的时间，或是受到全球硅片出货面积的影响），如下图所示；市场规模从2015年的3,351.68亿美元增长至2020年的4,390.00亿美元，2021年市场规模持续保持稳定增长达4,694.03亿美元，2015年至2021年间年均复合增长率高达5.77%。

图3 全球集成电路行业市场规模

目前，集成电路技术体系发展的源动力来自于下游应用层所衍生出来的各类市场需求，上述需求几乎全是要求上游支撑层和中游制造层围绕“集成什么、如何集成、怎样处理集成带来的利弊”三大关键问题来提供解决方案，而上述过程直接促进了集成电路发展朝着小体积、轻质量、长寿命、高可靠、低成本、易封装、少接口、微能耗的融合方向演进。具体而言，全球范围内未来集成电路技术体系的主要发展趋势是如下几点。

一、工艺制程集成度不断向理论极限值逼近。在集成电路产品制造过程中，往往需要多道工序、多种工艺的相互配合才能相得益彰，如掩模版制备、软件制图、薄膜制备、材料掺杂、系统封装、样片测试等。随着材料、设备及生产的技术创新和工艺水平提升，成熟生产线上的集成电路工艺制程已达7纳米（或者更低），且不断朝着理论最小值方向演进。长期以来，人们已将工艺制程的不断缩小定义为集成电路产业及技术体系发展的标志。在发展过程中，集成电路器件的微观结构对数字处理速度、系统可靠性、集成后功耗、抗干扰能力等的影响越来越明显。未来，集成电路产品的集成度将伴随着性能可靠性而持续提升，技术体系中的设计、生产及封装等主要环节面临的难题越来越多，这将进一步推动产业分工的高效化和精细化以满足工艺制程集成度的不断攀升。

二、集成电路控制技术的发展将面向数字化和智能化。传统的电路管理芯片其控制内核一般以模拟电路为主，如果在芯片中引入数字控制器内核，则能完善单纯使用模拟控制技术时难以实现的功能。近年来，以数字控制内核为特点的新一代数模混合电路管理芯片逐步拓展至各应用领域，显示出良好发展势头。同时，随着各类型手持移动终端产品的系统功能日趋复杂，电路管理芯片必须能主动配合设备主芯片的功能而不断升级，其精细程度、支持的复杂功能和智能化程度需要不断提升；因此，集成电路控制技术的数字化和智能化成为大势所趋。

三、新材料、新器件及新兴系统集成芯片的研制将成为发展集成电路技术体系的关键要素。未来随着集成电路芯片特征尺寸的不断缩减及集成度越来越高，对材料性能的要求也在不断加剧，而材料性能的创新突破将使得新材料和新器件不断涌现，必将极大程度提升集成电路芯片的制造水平。例如从2021年开始业界已经认为3D铁电存储器（VFRAM）将是在动态随机存取存储器（DRAM）之后可广泛应用的下一代半导体存储新型器件，如下图所示（左图为韩国研制的，右图为中国研制的）。此外新型系统集成芯片（SOC）因为将微处理器、模拟或数字IP核以及片外存储器控制接口等功能集于一身，兼具稳定性和低功耗优势，解决了传统集成电路制备中面临的许多问题，在未来也可能将引发一场以其为特色的集成电路技术体系革命。

图4 国外和国内2021年研制的3D铁电存储器

四、集成电路技术体系的发展将由新兴市场需求来驱动。未来集成电路技术体系的发展趋势、繁荣程度与其下游应用层的产业需求紧密相关。21世纪以来，笔记本电脑、个人平板、智能手机等直接服务用户的终端产品市场需求非常旺盛，产品的更新迭代过程随着用户业务的不断丰富而不断加快，直接促进了集成电路技术体系的发展将面向移动化、个人化和网络化三大方向。

综上所述，随着集成电路技术体系及其相关产业的发展成熟和产品功能领域的拓展，未来中国集成电路行业中的上游支撑层、中游制造层及下游应用层活力将进一步释放。特别是中国在计算机、移动通信、汽车电子等领域具备庞大的市场需求基础，恰好为我国集成电路产业赶超国际先进水平创造了难得的历史机遇；因此，作为中国的科技工作者必须加大研发速度、力度和广度，刻不容缓地发展适合中国国情需要的集成电路技术体系…

以上内容供大家平时学习研究和实践应用时参考，本来还有许多要讲的，例如“集成电路行业中关键产品的应用优势等等”，留待以后有机会再与大家分享所思所得，兼虑时间有限，晚上写作又有点犯困，谢谢大家理解，今后继续….

来源：信息科学前沿探索