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　　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。

　　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　典型先进封装技术　154

　　一、先进封装技术　154

　　二、WLCSP技术　154

　　三、2.5D Interposer封装技术　156

　　四、3D IC集成封装技术　157

　　五、扇出封装技术　158

　　第四节　先进封装技术总结与思考　163

　　第八章　人工智能理论、器件与芯片　165

　　第一节　技术战略地位　165

　　第二节　理论、器件与芯片的发展历程　168

　　一、人工智能理论与技术　168

　　二、人工智能器件　173

　　三、人工智能芯片　180

　　第三节　发展建议　188

　　第九章　碳基芯片　189

　　第一节　研究背景　189

　　第二节　碳基晶体管　190

　　一、碳纳米管无掺杂CMOS器件技术　190

　　二、碳纳米管晶体管的微缩　191

　　三、碳纳米管鳍式场效应晶体管　192

　　四、石墨烯基晶体管　193

　　第三节　碳基集成电路及其应用　194

　　一、碳纳米管 CPU　194

　　二、碳纳米管高速电路　195

　　三、碳基3D集成电路　195

　　四、碳基柔性集成电路　196

　　五、碳纳米管存储器　197

　　六、石墨烯集成电路　197

　　第四节　前景与挑战　198

　　第十章　（超）宽禁带半导体器件和芯片　200

　　第一节　科学意义与战略价值　200

　　第二节　技术现状与发展态势　202

　　一、宽禁带半导体发展历程及态势　202

　　二、（超）宽禁带半导体发展历程及态势　211

　　第三节　需进一步解决的难题　225

　　一、低缺陷、大尺寸（超）宽禁带半导体材料外延生长技术　225

　　二、（超）宽禁带半导体高性能器件关键技术　226

　　三、（超）宽禁带半导体芯片集成与应用　226

　　第四节　科学问题与发展建议　227

　　一、（超）宽禁带半导体材料高质量大尺寸外延生长技术　227

　　二、（超）宽禁带半导体微波功率器件设计与工艺技术　228

　　三、（超）宽禁带半导体高端电力电子器件设计与制备技术　229

　　四、（超）宽禁带半导体固态微波/毫米波芯片设计关键技术　230

　　五、（超）宽禁带半导体光电器件与探测器件技术　230

　　六、前瞻布局（超）宽禁带半导体新型应用技术　231

　　第十一章　量子芯片　232

　　第一节　战略地位　232

　　第二节　国内外进展　234

　　一、国外进展　234

　　二、国内进展　237

　　第三节　发展规律与研究特点　237

　　第四节　发展建议　239

　　一、加强量子芯片材料研究　239

　　二、部署硅基量子比特的构造和调控研究　243

　　三、量子比特扩展与集成　245

　　四、低温电子学与测控电路研究　250

　　第五节　预期目标　253

　　第十二章　柔性电子芯片　255

　　第一节　科学意义与战略价值　255

　　第二节　前沿领域的形成及其现状　256

　　一、国外研究现状　257

　　二、国内研究现状　258

　　三、发展趋势　258

　　第三节　关键科学问题与技术发展路线　259

　　一、关键科学和技术问题　259

　　二、发展思路与目标　261

　　第十三章　混合光子集成技术　264

　　第一节　研究范畴和基本内涵　265

　　第二节　研究的重要性　268

　　第三节　国内外发展现状　270

　　第四节　关键技术问题　275

　　第五节　发展建议　279

　　一、建设高标准产学研创新性的混合光子集成平台　280

　　二、建立系统性的项目资助体系，保障混合光子集成的发展　280

　　三、支持光子连接研究，培育混合光电子集成封装技术平台　281

　　第十四章　硅基光电子集成技术　282

　　第一节　战略地位　282

　　第二节　发展规律与研究特点　283

　　第三节　技术现状　285

　　一、国外发展现状　286

　　二、国内发展现状　289

　　第四节　发展建议　290

　　一、硅基发光及光源　290

　　二、硅光波导及器件　295

　　第十五章　微波光子芯片与集成　313

　　第一节　战略地位　313

　　第二节　发展规律与研究特点　315

　　一、面临的主要科学与技术问题　315

　　二、未来发展趋势　316

　　第三节　国内外发展现状　317

　　一、微波光子单元器件发展现状　318

　　二、国外系统与应用发展现状　323

　　三、我国发展现状　324

　　第四节　发展布局建议　327

　　一、单元器件级　327

　　二、集成芯片级　328

　　三、系统与应用　329

　　四、基础技术链条平台能力　330

　　第十六章　光电融合与集成技术　331

　　第一节　技术简述　331

　　一、光电子与微电子的关系　332

　　二、光电子与微电子技术的优势　332

　　三、光电融合的重要内容　333

　　四、研究状况与发展战略　334

　　第二节　集成技术发展历程　335

　　一、微电子技术发展历程及启示　335

　　二、光电子集成技术发展的历程　336

　　三、光电子集成技术的瓶颈与发展趋势　337

　　第三节　光电子集成的关键技术　340

　　一、集成材料的特性及制备工艺　340

　　二、光电融合建模仿真　342

　　三、表征与测试　343

　　四、CMOS工艺兼容的集成芯片技术　343

　　五、多功能集成技术　346

　　六、光互连存储网络技术　350

　　七、硅基光源技术　351

　　八、微波光子光电融合技术　355

　　第四节　技术优势分析　356

　　一、超大容量光通信芯片与模块集成技术　356

　　二、稳时稳相传输技术　358

　　三、光电融合与集成技术的优势分析　360

　　四、新型光计算技术　360

　　五、光电融合显著提升系统性能　361

　　第五节　发展趋势与展望　363

　　第十七章　光子智能芯片技术　365

　　第一节　战略形势研判　365

　　第二节　关键科学问题和重点研究内容　367

　　一、关键科学问题　367

　　二、重点研究内容　369

　　第三节　国内外发展现状　372

　　一、光子人工神经网络国内外发展现状　372

　　二、光子脉冲神经网络国内外发展现状　374

　　三、面向光子智能芯片的光电子集成国内外发展现状　376

　　第四节　发展建议　377

　　一、第一阶段发展　377

　　二、第二阶段发展　378

　　三、第三阶段发展　378

　　参考文献　380

　　关键词索引　418

　　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月美国商务部将我国部分公司列入“管制实体名单”，禁止美国企业向这些公司出售相关技术和产品；之后国外集成电路芯片设计制造商、供应商、电信运营商和金融机构陆续暂停了与进入“管制实体名单”公司的业务合作。集成电路与光电芯片确实是各国高科技产业博弈的重点和焦点，也是高新技术的核心和关键。未来集成电路与光电芯片的发展将直接决定我国的经济命脉，只有掌握集成电路与光电芯片领域的一系列核心技术，迅速提升半导体相关产品的自主研发和生产能力，才能摆脱我国高端器件和芯片受制于人的局面。

　　第二节　产业发展规律与特点

　　人类社会在信息化方向的发展，经历了人工时代、机械时代，并*终进入了电子时代。集成电路的迅猛发展正是推动电子时代到来的技术动力，光电芯片也发挥着越来越重要的作用。由于上到国家安防下到民生，电子时代对信息交互的依赖越来越强，因此，一个国家集成电路产业的发达程度，直接决定了其国防实力和在国际上的经济地位。只有掌握了先进集成电路工艺的核心技术，才能在电子时代的全球大环境下立于不败之地。因此，集成电路与光电芯片产业，是需要从国家层面全局谋划，并给予资金和政策支持的战略性产业。

　　集成电路产业历经六十多年的发展，有以下基本特点和发展规律：一是国家战略高度性和市场性共存，是一个国家战略方针和政府意志的高度体现；二是技术和资金投入上需要有持续性；三是产业具有一定的周期波动性；四是产业明显依赖先进技术和应用的导向性。早期的集成电路芯片由于单价昂贵、产能稀缺，主要服务于国防大中型计算机。随着CMOS微缩化的推进，芯片封装密度大幅提升，电路设计技术不断更新，集成电路的应用得到大幅普及，逐渐由单一的中小型计算机扩展至各种消费类产品，再发展到当下的移动通信、IoT、人工智能、大数据等各个方面。庞大的市场需求和产业生态链使得集成电路产业成为一个具有重要战略意义的发展方向。此外，集成电路产业的生产链需要多个供应链和技术链的群体协作才能完成，在通过市场贸易实现的协作过程中，任何一种材料、一种设备、一套器件和集成技术都可能成为制约竞争者的手段，如日本的聚酰亚胺、氟化氢、光刻胶，荷兰ASML公司的极紫外曝光机、亚10nm以下集成电路工艺技术等。因此，集成电路生产链存在着无数具有战略性特征的关键环节。

　　参考国外先进晶圆代工厂过去二十多年的技术节点变化，可以了解到尖端的技术应用，如智能手机、第五代移动通信（5th generation mobile networks，5G）技术、人工智能等的芯片主要采用的是20nm以下的技术节点。因此，国外对于先进工艺生产和供应链中设备材料以及代工限制将极大地制约我国在这些新兴关键技术领域的发展。对于我国当下缺乏集成电路制造关键技术、材料以及设备的现状，必须凭借新型举国体制的优势，通过攻坚创新，打通集成电路技术和产业链壁垒，建立风险可控的先进集成电路芯片产业链。

　　集成电路与光电芯片产业的另外一个特点是技术和资金投入巨大且需要持续性投入。只有长年累月的资金和技术投入，才能保持集成电路企业在技术迭代的洪流中始终领先，并在利润*高的尖端技术领域实现长期回报。在资金投入方面，对于台积电、格罗方德这样的代工厂而言，其主要投资用于建设生产线和工艺开发，对于英特尔和三星这样的垂直整合制造（ integrated design and manufacture，IDM）模式企业，除了上述成本以外，其部分投资还需要用于产品设计和开发（魏少军，2020）。

　　随着集成电路工艺水平的不断提高，集成电路生产线建设的投资逐年增加。2012年，建设一条300mm硅片、32nm技术节点、月产35000片晶圆的生产线，其工艺加工设备费用为30亿美元，其他配套材料设施费用为4.6亿美元，2.2万m2厂房建设费用为0.4亿美元，合计35亿美元。2017年，新建一条7nm工艺生产线的费用达到了54亿美元。2022年，新建一条3～5nm工艺生产线的费用达到200亿～250亿美元。在生产线建成并正常运转的基础上，为了实现市场竞争力和盈利，还必须开发技术先进同时产出率高的工艺。成套的集成电路生产线通常包括几百道工艺步骤，如果每道工艺的良率为99%，那么经过几百道工艺后，产品良率就会下降至不足50%，不能满足企业盈利的需求。为此，要对每道工序进行反复试验和调校，直至得到*佳工艺参数。这一过程需要投入大量人力和物力，也是工艺研发成本的主要部分。为了实现企业的长期回报，技术的持续迭代也需要持续性的研发投入，可以说，集成电路产业是需要技术和资金持续投入的行业。

　　此外，随着集成电路与光电芯片的封装密度提升，成本逐渐下降，加上基于CMOS的应用电路设计不断创新，集成电路与光电芯片的设计、制造与应用的联系更加紧密。芯片将信息获取、处理、存储和传输方面的应用高度集成，其应用范围分布广泛，并逐渐改变大众的传统生产生活方式。集成电路与光电应用芯片服务于卫星制导、新能源汽车、远程医疗、数字金融等国防民生领域，特别是2020年以来的新冠疫情期间，大数据追踪、健康码等的快速应用完全得益于集成电路技术的发展。正因为集成电路产业和市场的紧密联系，其发展受应用市场波动的影响十分明显。根据世界半导体贸易统计组织的数据分析，世界集成电路市场的增长率一直呈周期性的波动状态，表现为每10年左右的增长率呈现一个先下降后上升的波动趋势。出现这个趋势的原因，一是宏观经济的影响，如地区性或全球性的经济危机和经济衰退；二是部分电子信息系统产品的供需饱和导致企业的投入调整。我国过去20年的国内生产总值（gross domestic product，GDP）增长与电子信息制造业增长的速度和规律趋同，而且我国集成电路产业销售额的增速要大于集成电路市场的扩张速度，这说明我国集成电路产业发展和市场扩张密切相关，国产集成电路的比例逐渐增加。

　　第三节　发展现状与挑战

　　集成电路在制造方面遵循摩尔定律的预测，即在过去几十年里，一般每两年完成一次CMOS器件面积的成倍微缩。随着器件尺寸从亚微米级逐渐微缩至深亚微米级，技术和资金的投入指数倍地增加。这种数额巨大的投资导致了集成电路的技术研发越来越集中于少数企业。而少数企业的技术领先，会增加其市场占有率和盈利，形成了“投资—盈利”的循环正反馈。

　　全球拥有130nm技术节点的企业有26家，28nm技术节点的企业减少到了10家，16/14nm技术节点的企业仅有7家。10nm技术节点阵营中，只有三星、英特尔和台积电这三家企业可以支撑巨额的研发和工艺线建设经费。2020年，三星和英特尔已经分别量产了7nm和5nm技术节点产品，3nm技术节点产品也将进入量产。三星在2020年1月宣布了首款基于极紫外光刻制程和围栅器件结构的3nm量产工艺芯片。存储芯片作为集成电路芯片的重要部分，已经占据了全球半导体市场的接近三分之一的份额。以