半导体行业如何打破摩尔定律失败的诅咒
目前，全球半导体行业正处于迭代升级的关键时期。与此同时，行业的基本定律——摩尔定律正在接近物理、技术和成本的极限。2002年之前，全球芯片的性能每年增长52%左右，2010年达到23%，2010年达到12%。近年来，每年增长近3%。随着发展速度的不断下降，摩尔定律开始失效，后摩尔时代即将到来
在“2021世界半导体大会暨南京国际半导体博览会”上，很多行业专家也详细讲解了如何打破摩尔定律在半导体行业的失败，并分享了自己的观点。专家们一直认为，摩尔定律面临着严峻的挑战，但也给行业带来了许多机遇。
异质集成电路是后摩尔时代集成电路发展的新方向
中国集成电路行业面临“卡脖子”的痛点。一方面，中国在进口上花费巨资。数据显示，2020年，中国将进口3500亿美元集成电路(同年1760亿美元石油)，高端芯片基本依赖进口。另一方面，集成电路不是用钱能买到的。2020年5月，美国商务部宣布，将完全限制华为购买美国软件和技术生产的半导体产品。2021年4月，美国商务部提议对所有14纳米以下的中国芯片公司实施出口管制。众所周知，集成电路是一个国家综合科技实力甚至综合国力的体现。毛茂军认为，中国集成电路产业落后的原因是复杂的，外部因素是先进技术被西方阻挡，内部原因是中国集成电路产业对未来的憧憬，导致产学研脱节。
据中科院院士、上海交通大学党委常委、副校长毛俊发介绍，目前集成电路主要有两个发展方向。一种是延续摩尔定律；第二，绕过摩尔定律。这两条道路都面临着挑战。前者面临物理原理、技术手段和经济成本的限制。后者应向异质集成电路发展。
毛军指出：“集成电路有两种，元素半导体和化合物半导体，各有利弊。如何结合两者的优点？只有异质集成电路才能做到。”
所谓半导体异质集成电路，是指通过异质键合或外延生长，将化合物半导体高性能器件或芯片、硅基低成本高集成度周期或芯片(均含有光电器件或芯片)与有源元件或天线集成在一起的集成电路或系统。
毛军说，异质集成电路有突出的特点：一是可以集成不同半导体材料、工艺、结构、元器件或芯片的优势；二是采用系统设计理念；三是应用先进技术，如IP和小芯片、集成无源器件等新技术；第四，具有2.5D或3D高密度结构。
“正因为如此，它的优势也非常突出：一是实现了强大而复杂的功能，具有优异的综合性能，可以突破单一半导体工艺的性能极限；二是灵活性大，可靠性高，研发周期短，成本低；三是小型化、轻量化；第四，对半导体设备的要求相对较低，不受EUV光刻机的限制。”
毛发军总结说，总之，半导体异质集成电路突破了单工艺集成电路的功能和性能极限，实现了高性能的复杂电子系统，具有很大的研究价值。它是电子系统集成技术发展的新途径，是后摩尔时代集成电路发展的新方向，是变道超车集成电路的新机遇。
后摩尔时代存在三个主要驱动方向
中国工程院院士吴汉明在会上说，上世纪70年代晶体管的价格是1美元，现在成千上万自20世纪70年代以来，芯片的性能不断提高，但数据显示，自2015年左右以来，芯片各种性能的增长已经饱和。吴汉明说，从增加晶体管的角度来看，行业还是遵循摩尔定律的，但是从单位成本来看，2014年左右，芯片技术进化到28nm的时候，100万个晶体管的价格大概是2.7美分，但是进化到20nm的时候，价格反而上升到了2.9美分。晶体管涨价的现象已经违背了原来的摩尔定律。吴汉明指出，后摩尔时代，高性能计算、移动计算和自主感知是三大驱动方向，行业需要围绕性能、功耗、面积和成本进行创新。
在他看来，如今，芯片制造工艺面临三大挑战，也包含三大创新方向。
首先，基本挑战：精密图形。目前以光刻机为主要设备的工艺使用193 nm波长形成20 nm和30 nm图案，在物理原理上面临巨大挑战。
第二，核心挑战：新材料。自芯片开发以来，由于尺寸减小而带来的性能提升非常有限，新材料成为重要的突破方向，如硅和铜，可以将32 nm性能提高70%。因此，新材料、新工艺是IC芯片制造的主旋律。
第三，终极挑战：提高收益率。工艺再先进，产量太低也不会成功，所以提高产量也是一个重要方向。
此外，吴汉明认为后摩尔时代有四种类型的技术方向：“硅峰”范式，通过改变结构形成新器件，使摩尔定律得以延续，瓶颈在于功耗和速度；类硅模式，通过TFET延续摩尔定律等。类脑模式，通过3D包装模具拟神经元特性，具有存算一体、并行、低功耗等特点，是人工智能的主要途径；新兴范式，通过改变状态、采用新器件和新兴架构实现集成电路创新。
吴汉明表示，摩尔定律失效对于追赶者而言是个机会。“事实上，在先进工艺创新难以为继时，厂商可以通过系统性能提升，在已有成熟工艺的基础上做出更多创新，提升芯片性能。”
值得一提的是，中国是全球集成电路企业发展的沃土，内外资集成电路企业共享中国市场的红利。中国政府持续营造一个开放合作、公平竞争的产业发展环境，促进全球范围内的分工协作共享，在公平竞争中实现产业繁荣。