后摩尔时代集成电路发展现状

后摩尔时代的集成电路发展面临着新的格局与挑战。

一、摩尔定律发展的瓶颈与后摩尔时代的来临 摩尔定律在集成电路发展历程中曾占据主导地位。1965年英特尔创始人戈登·摩尔提出，在价格不变时，集成电路上的晶体管密度每年加倍，性能也提升一倍；到1975年改为单位面积芯片上的晶体管数量每两年增加一倍。这一定律持续近50年，推动了通信技术、AI等的发展。例如从2G时代的130nm发展到14nm、5nm，晶体管价格大幅降低，上世纪70年代1个晶体管价值达1美元，如今1美元能买几百万个晶体管。但到2014 - 2017年左右，摩尔定律逐渐失效，在28nm时，100万晶体管的价格为2.7美分，到20nm，这一价格增至2.9美分，单个晶体管价钱上涨，违背了摩尔定律价格不变的初衷 。

二、后摩尔时代集成电路产业链现状

• 设计环节：设计公司更关心系统性能。国内在这方面也有成果，如国内创企芯盟采用40nm工艺做出高性能异构集成单芯片，还有紫光国芯SeDRAM采用直接键合异质集成工艺，每Gbit带宽高达34GB/s、能效达0.88pJ/bit。不过，从集成电路产业链整体分布来看，IP EDA基本被美国垄断，中国大陆在多个细分产业占比较小，这在一定程度上限制了集成电路设计的发展自主性 。

• 制造环节：后摩尔时代芯片制造面临诸多挑战。吴汉明院士总结了芯片制造工艺的三大挑战：一是基础挑战精密图形，现在主要先进工艺193nm波长的光源能曝光出20 - 30nm的图形，受中学光学原理中波长远大于物理尺寸时分辨率模糊的影响，图形精度面临挑战；二是核心挑战新材料、新工艺，历史上有64种新材料支撑了摩尔定律的发展，往后没有新材料，性能难以提升；三是终极挑战提升良率，工艺流程中会累积大量统计误差，良率提升困难重重。从制程节点分布来看，10nm节点以下先进产能仅17%，83%的市场集中在10nm以上节点，成熟制程市场发展存在巨大市场和创新空间，像台积电的一些成熟制程占比也在增长。并且，在制造装备方面，ASML占据了光刻装备大头，我国厂商的刻蚀、清洗等装备虽已进入芯片制造大生产线，但还未进入非常高端的生产线应用 。

• 封测环节：后摩尔时代，随着芯片集成度不断提高，封装测试技术也面临更高要求。传统的封装测试技术已难以满足高性能、小型化、多功能集成芯片的需求。例如，对于异构集成单芯片等复杂芯片的封测，需要更先进的技术来确保芯片在不同工作环境下的稳定性、可靠性以及信号传输的完整性。日月光、长电科技等封测企业也在不断探索新的封测技术，以适应后摩尔时代集成电路发展的需求。

三、不同地区的发展态势 美国在集成电路领域处于领先地位，在技术研发、高端设备制造、IP EDA等方面具有很强的优势。美国曾做评估，如果要建立一个完全自主可控产业链，成本约达9000亿 - 12000亿美元，将导致涨价35% - 65%，这也反映出其在产业链中的重要性和影响力。而中国大陆在集成电路多个细分产业占比较小，但近年来也在不断追赶，国内企业在成熟制程等方面有所突破，一些企业在高性能异构集成单芯片等方面也取得成果，同时也在不断加大研发投入，努力提升在集成电路产业中的地位 。

后摩尔时代集成电路技术突破

后摩尔时代集成电路技术在多个方面寻求突破。

一、技术方向的探索 许居衍院士提出后摩尔时代有4类技术方向。

• 硅基冯诺依曼架构：这是主流方向，不过其面临着功耗和速度的平衡问题。传统的硅基冯诺依曼架构在数据处理时，数据存储和计算单元分离，导致数据传输过程中的功耗较大，限制了芯片性能的进一步提升。例如在一些高性能计算场景下，大量的数据传输会产生较高的能耗，因此需要探索新的技术手段来优化这种架构下的功耗和速度关系 。

• 类硅模式：这是延续摩尔定律的主要技术。通过采用新的工艺和结构，在经典CMOS基础上向非经典CMOS发展，如半节距继续按比例缩小，并采用薄栅、多栅和围栅等非经典器件结构，继续提升晶体管密度和芯片性能。这有助于在一定程度上延续摩尔定律的发展趋势，实现更高的集成度和性能提升 。

• 类脑模式：这一模式最近比较热门且有产业前景。类脑芯片模拟生物大脑的神经元结构和工作原理，具有低功耗、高并行性等优点。例如在处理图像识别、语音识别等复杂任务时，类脑芯片能够以较低的功耗实现高效的运算，与传统芯片相比在能效方面有很大的提升潜力，有望在人工智能、物联网等领域得到广泛应用 。

• 新兴范式：这是非常前沿的未来集成电路发展方向，属于基础研究范畴，在最近5 - 10年可能看不到产业化进展。它可能涉及到新的计算原理、材料或者架构等方面的突破，如量子计算技术与集成电路的结合等，一旦实现突破，可能会给集成电路带来革命性的变革 。

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二、新工艺、新材料与新结构的研究与应用

• 新工艺：后摩尔时代需要新的制造工艺来满足不断提高的性能需求。例如在光刻工艺方面，随着芯片制程的不断缩小，需要更高分辨率的光刻技术。目前的193nm波长光源在曝光更小尺寸图形时面临挑战，需要研发新的光刻技术如极紫外光刻（EUV）等，以实现更精密的图形制造。此外，在蚀刻、清洗等工艺环节也需要不断创新，以提高芯片制造的效率和质量。

• 新材料：新材料的研发是后摩尔时代技术突破的关键。历史上有64种新材料支撑了摩尔定律的发展，在新的发展阶段，需要探索如二维材料（石墨烯等）、高迁移率材料等。这些新材料具有独特的电学、光学等性能，能够提升晶体管的性能，如提高电子迁移速度、降低功耗等。例如石墨烯具有高载流子迁移率、高导热性等优点，如果能够成功应用于集成电路制造，有望解决芯片散热和性能提升的问题。

• 新结构：除了采用薄栅、多栅和围栅等非经典器件结构外，还在探索如垂直晶体管结构等新的结构形式。垂直晶体管结构能够在不增加芯片面积的情况下增加晶体管的数量，从而提高集成度。这种结构改变了传统平面晶体管的布局方式，通过在垂直方向上构建晶体管，有效利用了芯片的三维空间，是实现等效尺寸微缩或者集成度提升的重要途径之一。

三、异构集成技术的发展 异构集成技术是后摩尔时代集成电路的一个重要发展方向。它将不同功能、不同制程的芯片或元件集成在一起，实现多功能大集成。例如将逻辑芯片、存储芯片、传感器等通过直接键合、封装集成等方式组合在一个芯片或者封装内。这种技术能够突破传统单一芯片功能的限制，提高系统的整体性能。如紫光国芯SeDRAM采用直接键合异质集成工艺，实现了高性能的数据存储和传输，每Gbit带宽高达34GB/s、能效达0.88pJ/bit。异构集成技术还可以提高芯片的设计灵活性，根据不同的应用需求快速定制芯片解决方案，同时也有助于降低成本和提高开发效率。

后摩尔时代集成电路市场需求变化

后摩尔时代，集成电路的市场需求呈现出多方面的显著变化。

一、新兴应用领域驱动需求分化

• 人工智能领域：随着人工智能技术的快速发展，对集成电路的需求发生了深刻变化。人工智能算法需要大量的计算资源来进行数据处理和模型训练，如深度学习中的神经网络模型。这就要求芯片具有更高的并行计算能力、更低的功耗以及更大的存储带宽。传统的通用芯片难以满足这些需求，因此专门为人工智能设计的芯片，如GPU（图形处理单元）、TPU（张量处理单元）等应运而生。这些芯片针对人工智能算法进行了优化，例如GPU具有大量的计算核心，能够并行处理多个数据，大大提高了人工智能计算的效率。而且，随着人工智能在医疗、自动驾驶、智能家居等众多领域的广泛应用，对这类高性能、低功耗、特定功能的集成电路的需求还将持续增长。

• 物联网领域：物联网的发展使得万物互联成为可能，这也对集成电路提出了新的要求。物联网设备数量众多、功能多样且分布广泛，从简单的传感器节点到复杂的智能网关等。对于传感器节点等低功耗设备而言，需要集成度高、功耗极低的芯片，以实现长时间的电池供电运行。例如一些无线传感器节点，需要在微小的体积内集成传感器、微控制器和无线通信模块，并且要求芯片功耗在微瓦甚至纳瓦级别。而对于智能网关等设备，则需要具备较强的数据处理能力和多协议兼容能力的芯片，以实现对大量物联网设备数据的汇聚、处理和转发。

• 5G通信领域：5G通信的高速率、低延迟和大容量特性，对集成电路的性能提出了更高要求。5G基站中的射频芯片需要具备更高的工作频率、更大的带宽和更低的噪声系数，以实现高效的信号发射和接收。同时，5G终端设备如智能手机中的芯片，需要集成更多的功能，如支持多频段、多模式通信，以及具备更强的信号处理能力来应对高速数据传输。例如，5G手机中的调制解调器芯片需要在更小的制程下实现更高的数据传输速率和更低的功耗，以满足用户对于高清视频通话、高速下载等需求。

二、从性能导向到能效导向的转变

• 功耗约束下的能效优化需求：在传统的集成电路发展中，性能提升往往是首要目标。然而，随着芯片集成度的不断提高和应用场景的多样化，功耗问题日益突出。后摩尔时代，在一定功耗约束下进行能效比的优化成为重要需求和主要发展趋势。例如在移动设备领域，电池续航能力一直是用户关注的重点，对于笔记本电脑、智能手机等设备，需要芯片在保证性能的同时尽可能降低功耗。这就促使芯片制造商在设计芯片时，采用更先进的制程工艺、优化电路结构以及探索新的低功耗设计技术，如动态电压频率调整（DVFS）等，以提高芯片的能效比。

• 数据中心的能效挑战与需求：数据中心是能源消耗大户，其中服务器等设备中的集成电路的能效对于降低数据中心的运营成本和环境影响至关重要。随着云计算、大数据等业务的不断增长，数据中心需要处理海量的数据，这就要求服务器芯片在高负载情况下保持高效运行，同时降低能耗。例如，采用新型的架构和技术来减少数据中心芯片在空闲状态下的功耗，提高整体能效。一些企业开始探索使用异构计算架构，将CPU与GPU、FPGA等不同类型的芯片组合使用，根据不同的任务需求分配计算资源，从而提高能效。

三、多功能集成的需求增长

• 单一芯片多功能集成的趋势：从过去单一功能优化走向多功能大集成是后摩尔时代集成电路市场需求的一个重要变化。消费者对于电子产品的多功能性需求不断增加，例如智能手机不仅需要具备通信功能，还需要集成高性能的图像处理、音频处理、传感器融合等功能。这就要求芯片能够在一个芯片上集成多个不同功能的模块，实现多功能一体化。像苹果的A系列芯片，集成了CPU、GPU、神经网络引擎等多个功能模块，为用户提供了丰富的功能体验。

• 系统级集成需求：除了芯片级别的多功能集成，系统级的集成需求也在增长。例如在工业自动化领域，需要将控制、通信、传感等多种功能集成在一个系统中，这就要求集成电路能够与其他组件如传感器、执行器等进行有效的协同工作。在汽车电子领域，汽车的智能化、电动化发展趋势使得汽车需要集成更多的电子系统，如自动驾驶系统、电池管理系统等，这对集成电路的多功能集成和系统协同能力提出了更高的要求。

后摩尔时代集成电路行业竞争格局

后摩尔时代集成电路行业的竞争格局呈现出多方面的特点。

一、国际竞争格局

• 美国的主导地位：美国在集成电路行业仍然占据主导地位。在技术研发方面，美国拥有众多顶尖的科研机构和高校，如斯坦福大学、麻省理工学院等，这些机构在集成电路基础研究、前沿技术探索等方面处于世界领先水平。在企业层面，英特尔、英伟达等美国企业在芯片设计、制造技术等方面具有强大的实力。例如英特尔在传统的CPU制造领域长期处于领先地位，英伟达在GPU领域占据主导地位，其产品广泛应用于人工智能、游戏等众多领域。在产业链上游，美国在IP EDA方面基本处于垄断地位，这使得其他国家的集成电路企业在设计环节很大程度上依赖美国的技术和工具。

• 其他国家和地区的竞争态势：除美国外，亚洲地区的一些国家和地区在集成电路行业也具有较强的竞争力。韩国的三星和海力士在存储芯片领域占据重要地位，其在DRAM和NAND Flash等存储芯片的研发、生产和销售方面处于世界前列。日本虽然在整体集成电路产业规模上有所下滑，但在一些关键材料、设备制造等方面仍具有独特的优势，例如在光刻胶、高端设备部件等方面，日本企业的产品质量和技术水平较高。中国台湾地区的台积电是全球最大的晶圆代工厂商，其在芯片制造工艺方面处于领先地位，如率先实现7nm、5nm等先进制程的大规模量产，为全球众多芯片设计企业提供代工服务。

二、国内竞争格局

• 企业竞争格局：在中国大陆，集成电路企业呈现出多元化的竞争格局。在芯片设计领域，有海思、紫光展锐等企业。海思在被制裁前，其芯片产品在智能手机、通信设备等领域具有很强的竞争力，例如其麒麟系列芯片为华为手机提供了强大的性能支持。紫光展锐在物联网芯片、移动通信芯片等方面也有一定的市场份额。在芯片制造方面，中芯国际是国内最大的晶圆代工厂商，努力在先进制程工艺上进行追赶，虽然与国际领先水平还有差距，但在成熟制程方面已经具备一定的规模和竞争力。在封测环节，长电科技、通富微电等企业在国内市场占据重要地位，并且不断提升技术水平，向国际先进封测企业看齐。

• 产学研合作竞争优势：国内的产学研合作在集成电路行业竞争中也发挥着重要作用。高校和科研机构为企业提供了技术研发支持和人才储备。例如清华大学、北京大学等高校在集成电路相关领域开展了大量的基础研究和前沿技术探索，一些科研成果能够转化为企业的实际生产力。同时，企业与高校、科研机构之间的合作项目也不断增加，共同攻克技术难题，提升国内集成电路产业的整体竞争力。然而，与国际领先水平相比，国内在产学研协同创新方面还存在一些问题，如成果转化效率不高、合作机制不够完善等。

三、技术竞争焦点

• 制程工艺竞争：制程工艺是集成电路行业竞争的一个关键焦点。随着摩尔定律的发展趋缓，在先进制程工艺方面的突破变得更加困难但也更加重要。国际上的企业如台积电、三星等在7nm、5nm甚至更先进制程工艺上展开激烈竞争，不断提高晶体管密度、降低芯片功耗和提升性能。国内企业也在努力追赶，中芯国际在制程工艺研发上持续投入，虽然在先进制程的量产规模和技术成熟度上与国际领先企业存在差距，但在14nm等制程上已经实现量产，并且不断向更先进制程迈进。

• 新技术研发竞争：后摩尔时代的新技术研发也是竞争的重要方面。例如在类脑芯片、量子计算芯片等新兴技术领域，各国企业和科研机构都在积极探索。谁能够率先在这些新技术领域取得突破，谁就有可能在未来的集成电路市场中占据有利地位。中国在一些新兴技术领域也积极布局，如在类脑芯片研究方面，国内一些高校和企业已经开展了相关的研究工作，致力于开发具有自主知识产权的类脑芯片技术。

后摩尔时代集成电路未来发展趋势预测

后摩尔时代集成电路未来将朝着多个方向发展。

一、技术发展方向

• 延续摩尔与超越摩尔并行发展：一方面，“More Moore”（延续摩尔）仍将持续发展，经典CMOS将继续向非经典CMOS演进，半节距继续按比例缩小，并采用更多新的器件结构如薄栅、多栅和围栅等，进一步提升晶体管密度和芯片性能。另一方面，“More than Moore”（超越摩尔）也将成为重要发展方向，这包括从单一功能优化走向多功能大集成，如将不同功能的芯片或模块集成在一起，实现系统级的功能提升；还包括向第3个维度进行等效的尺寸微缩或者集成度提升，探索三维集成电路等新技术，充分利用垂直空间来提高集成度 。

• 新兴技术的融合与发展：量子计算技术、类脑计算技术等新兴技术将与集成电路技术不断融合。量子计算芯片的研究有望带来计算能力的巨大飞跃，虽然目前量子计算技术还处于发展的早期阶段，但随着技术的不断进步，量子比特的数量和稳定性不断提高，量子计算芯片可能会在密码学、材料科学等领域发挥重要作用。类脑计算技术将继续发展，类脑芯片可能会在人工智能领域得到更广泛的应用，其低功耗、高并行性等优点将为人工智能算法提供更高效的硬件支持。此外，光计算技术也可能与集成电路技术相结合，利用光的高速传播和并行性来提高数据处理速度。

二、市场需求导向下的发展趋势

• 针对特定应用的定制化芯片：随着新兴应用领域的不断发展，针对特定应用的定制化芯片需求

芯片封装清洗剂选择：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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