毛军发院士：集成系统是中国半导体变道超车的历史机遇

▾

直击痛点：中国芯片惨遭封锁，源自“四大落后”

毛军发院士开局就揭穿集成电路是我国被卡脖子的痛点。“中国花费巨资进口，2022年中国进口集成电路5384亿块，价值4156亿美元，而高端芯片基本依赖进口，有钱也买不到。”

集成电路是一个国家综合科技实力乃至综合国力的反映，我国获取先进技术受到西方封锁。我国集成电路落后的自身原因究竟在哪呢？毛军发院士从四方面点出：

• 瞻前顾后，造成产学研脱节；
• EDA落后，原因是研究算法的多但很零散没有规划，集成没有形成能力，没有器件模型；大型软件工程能力较弱，经验较少；用户不原意用国产软件工具，恶性循环；
• 装备落后，源自整体能力和市场环境等多重因素；
• 器件和电路落后，原因是材料落后；工艺的精细度和稳定性不足，缺乏工匠精神和工艺大师。

这也是珠三角相对于长三角相对薄弱的环节，尤其在制造方面。因此广东省制定政策，克服短板。《广东省制造业高质量发展“十四五”规划》提出“打造半导体及集成电路全产业链，建成具有国际影响力的半导体及集成电路产业聚集区”，深圳20+8产业集群等。

换道超车：集成系统是未来60年的发展方向

集成电路呈现出延续摩尔定律和绕道摩尔定律两个发展方向。前者面临物理原理极限、技术手段极限和经济成本极限。后者是拥有自旋、量子、集成系统等新技术。电子封装是集成系统的技术路径之一。目前全世界有1000多种封装技术，所有封装技术可以统一成集成系统。

集成电路（芯片）只是手段，微电子系统才是目的。摩尔定律面临原理，技术与成本等多方面挑战。集成电路的前道设计加工与后道封装集成逐步融合。传统的封装集成技术采取分立的实施步骤。

基于此背景，毛军发院士参照集成电路的思想，提出集成系统的概念，以实现像过去集成大规模电路一样集成一个复杂系统的初衷，像设计、加工集成电路一样设计加工微系统。

台积电 SOIC互联间距少有1μm，与片上互联相当，真正的先进封装技术就要用到前道的制造技术。如果把台积电、英特尔、三星等前道强大的工艺加工能力拥有后道封装集成的话，将会对传统封装造成降维打击。

回到集成系统，毛军发院士提出的概念是将各种芯片、传感器、元器件、天线和互连线等制作（集成）在一个基板上，形成具有预期功能的系统。所有芯片与元器件在结构上组成一个整体，使系统具备显著优势：高密度、小型化，强功能、低功耗、低成本、高可靠、易设计、易制作。

集成系统是一体化集成特色，系统规划、协同设计、融合制造，同时跨尺度、跨材料、跨工艺、跨维度、跨物理，而芯片只是组成部分之一，可使用chiplet等新技术。用相同工艺实现更高性能。用相对落后的工艺实现相对先进的系统集成，降低对前道光刻机的限制和依赖。

毛军发院士指出，集成系统是实现从电路集成到系统集成的跨越，是后摩尔时代集成电路发展重要方向，是半导体技术变道超车发展历史机遇。如果说过去60年是集成电路的时代，那么未来60年可能是集成系统的时代，“所以集成系统是我们国家和粤港澳大湾区变道发展的一个突破口。”

异质集成技术最能代表集成系统

毛军发院士认为，虽然目前完全体现集成系统的技术尚未形成，但小芯片或晶粒(chiplet技术体现了集成系统的思想。其概念将单一先进工艺的大芯片分解成多个特征模块，每个模块（小芯片）用各自最适合工艺实现。小芯片技术与SoC互为逆向思维，SoC把IP平面集成在一个芯片里，而SolC则是把多个chiplett以3D堆叠集成。

封装中的天线（AiP）技术也体现了集成系统的思想。AiP是指在包含无线芯片的封装结构中（上）实现的天线。相比于普通分立天线，AiP具有更好的系统性能，更小的系统面积，更低的成本，以及更短的研发周期。

另外一个集成系统的雏形是多功能无源元件技术。电子系统中包含大量的无源元件，不同功能元件、天线级联需大量转接，引入额外损耗和体积。将多种元件结合为协同设计的多功能元件，显著减少系统所需元件和转接个数，降低插损，实现小型化。

最能够体现集成系统的是半导体异质集成技术。半导体异质集成将不同工艺节点的化合物半导体高性能器件或芯片，硅基低成本高集成度器件或芯片（都含光电子器件或芯片），与无源元件（含MEMS）或天线，通过异质键合或外延生长等方式集成而实现集成电路或系统的技术。是集成系统最有力的技术手段。

解决五个关键科学技术问题

关于集成系统在国际国内动态，毛军发院士汇报美国在2018年启动联合大学微电子计划（UMP）与数十亿美元的电子复兴计划重点砸向异质集成，性能提升100倍，功耗成本下降到当前的1%。

欧盟有面向下一代高性能CMOS SoC的Ⅲ-V族纳米线半导体集成技术计划；日本、韩国、新加坡和我国台湾地区都有异质集成相关研究计划。国内上海交通大学、中电集团、中科院、长电科技等开展了系统封装研究，妄图通过集成方式绕过摩尔定律。

集成系统发展趋势将融合集成度、工作速度不断提高、与电、光、机和生物为一体，但遭受的挑战也是严峻的，表现在多物理协同、多性能协同、多材质融合。为此需要解决五个关键科学技术问题。

集成系统体系架构：从系统科学角度界定集成系统的功能与性能，并进行结构分解；芯片及各类元器件种类的确定，集成工艺选择；集成系统的布局（SIP，SOIC…）；互连方式与标准。

自动化智能化协同设计：电磁/热/应力多物理协同设计；有源/无源电路/天线/数字，模拟射频电路的多功能协同设计（如免AD、DA转换）；IP、IPD、PDK、Chiplet等复用。

异质界面生成与工艺量化调控机理：因晶格，膨胀系数差异，需建立异质界面动力学，认识扩散，成核、粘合机理，通过界面调控融合，实现高可靠异质集成。集成系统工艺参数调整受制于电，热，应力多物理场特性，必须认识其内在关系，掌握工艺量化设计与优化机理。

无源元件、天线小型化：无源元件最多可占射频电子系统元件总数90%，系统总面积80%，面积、工艺与芯片差异大，无源元件的小型化与集成对整个射频集成系统至关重要；由于性能与尺寸的相关性，射质损耗，电磁兼容与热问题，给小型化与性能提高带来挑战，要突破传统思路，提出新的工作机理和设计理论。

集成系统的可测性原理：多种材料、工艺的元器件、天线、芯片三维高密度集成，微米间距，高频高速工作。

主要研究与产业化贡献

毛军发院士从80年代末专注于高速电路互连与射频电子封装的研究，从完成该国内该领域第一篇博士论文，到如今成为这个领域的学术带头人，他的研究成果获得了国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖，涵盖极具分量的国家“三大奖”，这在国内是十分罕见的。从上海交大空降到深圳大学担任校长，确立了加快创建“世界一流”的目标，也体现了将专业研究赋能粤港澳大湾区产业的时代使命。

毛军发院士介绍了其主要在射频电路系统EDA软件取得的进展。毛军发团队联合芯和半导体合作研制出首套及系列国产射频EDA商用软件。研制出48款国产射频EDA商用软件工具；500种高精度PDK模望；与中芯国际工艺兼容的集成无源器件IP库，已量产20亿颗。经过台积电、三星、格芯、中芯国际、意法半导体的严格认证。截至目前有200多家用户，涵盖半导体、移动通信，人工智能、航空航天、国防行业国内知名的射频用户。并反向出口至Cisco、Intel、IBM、Apple、台积电。

另外开发出基于硅基MEMS和BCB的异质键合工艺流程，可以对外提供服务。最大的优点是在毫米波段的损耗跟低频损耗没有增加多少。利用团队技术研制了一款W波段异质集成片上雷达，从输出功率、噪声系数等都有明显优势，优势来源就是异质集成。基于此，开发出非侵入式生命体征探测毫米波雷达，可测酒驾、心率、血压。

摩尔定律面临极限挑战，转折点临近，微电子技术将从电路集成走向系统集成的变革性发展路径，为我国变道超车发展提供历史机遇！这是最后的总结。