中国集成电路与光电芯片2035发展战略
  当前和今后一段时期将是我国集成电路与光电芯片技术发展的重要战略机遇期和攻坚期,加强自主集成电路与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与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。
  本书为相关领域战略与管理专家、科技工作者、企业研发人员及高校师生提供了研究指引,为科研管理部门提供了决策参考,也是社会公众了解集成电路与光电芯片发展现状及趋势的重要读本。
编委会

总序

  党的二十大胜利召开,吹响了以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴的前进号角。习近平总书记强调“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑”,明确要求到 2035 年要建成教育强国、科技强国、人才强国。新时代新征程对科技界提出了更高的要求。当前,世界科学技术发展日新月异,不断开辟新的认知疆域,并成为带动经济社会发展的核心变量,新一轮科技革命和产业变革正处于蓄势跃迁、快速迭代的关键阶段。开展面向 2035 年的中国学科及前沿领域发展战略研究,紧扣国家战略需求,研判科技发展大势,擘画战略、锚定方向,找准学科发展路径与方向,找准科技创新的主攻方向和突破口,对于实现全面建成社会主义现代化“两步走”战略目标具有重要意义。

  当前,应对全球性重大挑战和转变科学研究范式是当代科学的时代特征之一。为此,各国政府不断调整和完善科技创新战略与政策,强化战略科技力量部署,支持科技前沿态势研判,加强重点领域研发投入,并积极培育战略新兴产业,从而保证国际竞争实力。

  擘画战略、锚定方向是抢抓科技革命先机的必然之策。当前,新一轮科技革命蓬勃兴起,科学发展呈现相互渗透和重新会聚的趋势,在科学逐渐分化与系统持续整合的反复过程中,新的学科增长点不断产生,并且衍生出一系列新兴交叉学科和前沿领域。随着知识生产的不断积累和新兴交叉学科的相继涌现,学科体系和布局也在动态调整,构建符合知识体系逻辑结构并促进知识与应用融通的协调可持续发展的学科体系尤为重要。

  擘画战略、锚定方向是我国科技事业不断取得历史性成就的成功经验。科技创新一直是党和国家治国理政的核心内容。特别是党的十八大以来,以习近平同志为核心的党中央明确了我国建成世界科技强国的“三步走”路线图,实施了《国家创新驱动发展战略纲要》,持续加强原始创新,并将着力点放在解决关键核心技术背后的科学问题上。习近平总书记深刻指出:“基础研究是整个科学体系的源头。要瞄准世界科技前沿,抓住大趋势,下好‘先手棋’,打好基础、储备长远,甘于坐冷板凳,勇于做栽树人、挖井人,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破,夯实世界科技强国建设的根基。”

  作为国家在科学技术方面最高咨询机构的中国科学院和国家支持基础研究主渠道的国家自然科学基金委员会(简称自然科学基金委),在夯实学科基础、加强学科建设、引领科学研究发展方面担负着重要的责任。早在新中国成立初期,中国科学院学部即组织全国有关专家研究编制了《1956—1967 年科学技术发展远景规划》。该规划的实施,实现了“两弹一星”研制等一系列重大突破,为新中国逐步形成科学技术研究体系奠定了基础。自然科学基金委自成立以来,通过学科发展战略研究,服务于科学基金的资助与管理,不断夯实国家知识基础,增进基础研究面向国家需求的能力。2009 年,自然科学基金委和中国科学院联合启动了“2011—2020 年中国学科发展战略研究”。2012 年,双方形成联合开展学科发展战略研究的常态化机制,持续研判科技发展态势,为我国科技创新领域的方向选择提供科学思想、路径选择和跨越的蓝图。

  联合开展“中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)”,是中国科学院和自然科学基金委落实新时代“两步走”战略的具体实践。我们面向 2035 年国家发展目标,结合科技发展新特征,进行了系统设计,从三个方面组织研究工作:一是总论研究,对面向2035 年的中国学科及前沿领域发展进行了概括和论述,内容包括学科的历史演进及其发展的驱动力、前沿领域的发展特征及其与社会的关联、学科与前沿领域的区别和联系、世界科学发展的整体态势,并汇总了各个学科及前沿领域的发展趋势、关键科学问题和重点方向;二是自然科学基础学科研究,主要针对科学基金资助体系中的重点学科开展战略研究,内容包括学科的科学意义与战略价值、发展规律与研究特点、发展现状与发展态势、发展思路与发展方向、资助机制与政策建议等;三是前沿领域研究,针对尚未形成学科规模、不具备明确学科属性的前沿交叉、新兴和关键核心技术领域开展战略研究,内容包括相关领域的战略价值、关键科学问题与核心技术问题、我国在相关领域的研究基础与条件、我国在相关领域的发展思路与政策建议等。

  三年多来,400 多位院士、3000 多位专家,围绕总论、数学等18 个学科和量子物质与应用等 19 个前沿领域问题,坚持突出前瞻布局、补齐发展短板、坚定创新自信、统筹分工协作的原则,开展了深入全面的战略研究工作,取得了一批重要成果,也形成了共识性结论。一是国家战略需求和技术要素成为当前学科及前沿领域发展的主要驱动力之一。有组织的科学研究及源于技术的广泛带动效应,实质化地推动了学科前沿的演进,夯实了科技发展的基础,促进了人才的培养,并衍生出更多新的学科生长点。二是学科及前沿领域的发展促进深层次交叉融通。学科及前沿领域的发展越来越呈现出多学科相互渗透的发展态势。某一类学科领域采用的研究策略和技术体系所产生的基础理论与方法论成果,可以作为共同的知识基础适用于不同学科领域的多个研究方向。三是科研范式正在经历深刻变革。解决系统性复杂问题成为当前科学发展的主要目标,导致相应的研究内容、方法和范畴等的改变,形成科学研究的多层次、多尺度、动态化的基本特征。数据驱动的科研模式有力地推动了新时代科研范式的变革。四是科学与社会的互动更加密切。发展学科及前沿领域愈加重要,与此同时,“互联网 +”正在改变科学交流生态,并且重塑了科学的边界,开放获取、开放科学、公众科学等都使得越来越多的非专业人士有机会参与到科学活动中来。

  “中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)”系列成果以“中国学科及前沿领域 2035 发展战略丛书”的形式出版,纳入“国家科学思想库 - 学术引领系列”陆续出版。希望本丛书的出版,能够为科技界、产业界的专家学者和技术人员提供研究指引,为科研管理部门提供决策参考,为科学基金深化改革、“十四五”发展规划实施、国家科学政策制定提供有力支撑。

  在本丛书即将付梓之际,我们衷心感谢为学科及前沿领域发展战略研究付出心血的院士专家,感谢在咨询、审读和管理支撑服务方面付出辛劳的同志,感谢参与项目组织和管理工作的中国科学院学部的丁仲礼、秦大河、王恩哥、朱道本、陈宜瑜、傅伯杰、李树深、李婷、苏荣辉、石兵、李鹏飞、钱莹洁、薛淮、冯霞,自然科学基金委的王长锐、韩智勇、邹立尧、冯雪莲、黎明、张兆田、杨列勋、高阵雨。学科及前沿领域发展战略研究是一项长期、系统的工作,对学科及前沿领域发展趋势的研判,对关键科学问题的凝练,对发展思路及方向的把握,对战略布局的谋划等,都需要一个不断深化、积累、完善的过程。我们由衷地希望更多院士专家参与到未来的学科及前沿领域发展战略研究中来,汇聚专家智慧,不断提升凝练科学问题的能力,为推动科研范式变革,促进基础研究高质量发展,把科技的命脉牢牢掌握在自己手中,服务支撑我国高水平科技自立自强和建设世界科技强国夯实根基做出更大贡献。

“中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)”

联合领导小组            

2023 年 3 月            

前言
  半导体集成电路芯片技术作为信息产业发展的基石,已经深深渗透到经济社会的各个领域,并在推动产业变革和技术进步中发挥着至关重要的作用。当前,全球半导体芯片产业进入重大的发展调整期,国际贸易的复杂趋势给半导体芯片产业的发展带来新的挑战。一方面,随着技术水平的持续提升和产业规模的不断扩大,半导体芯片产业已经成为支撑全球数字经济发展的重要支柱产业。另一方面,在摩尔定律发展规律放缓和制造成本提高的双重压力下,未来半导体芯片产业发展必将从应用需求角度出发,实现从集成度驱动向功能驱动的转变,半导体设计和制造也将迎来全新的技术革命和产业变革。
  对于我国而言,信息产业作为战略性新兴产业之一,发挥着支撑数字经济发展和推动产业变革的重要作用,未来其潜力空间仍然广阔。要实现信息产业的蓬勃发展,关键在于掌握核心技术,特别是加快集成电路与光电芯片等关键技术的自主创新步伐。目前,中国集成电路从材料、设备、工艺到设计的EDA工具都面临一些现实难题。这些问题若不解决,将对国民经济、社会发展、国家信息安全和国防安全产生不利影响。可以肯定的是,到2035年甚至更长的时间里,集成电路芯片仍将是推动社会发展和人类进步的核心与关键,是推动人类从信息时代进入智能时代的不可替代的载体。没有芯片技术和产业,信息技术和产业就无从谈起,更不用说信息和智能时代了。
  在此背景下,本书的出版具有重要的时代意义。本书选择集成电路与光电芯片这两个关键技术作为研究对象,提出了在材料、工艺、设备、设计等多个方面实现自主可控的技术路线和发展路径,对产业发展具有重要的指导意义,从多个角度对其发展现状和未来趋势进行深入剖析,在此基础上对实现产业自立自强提出切实可行的发展战略和对策建议,为我国信息产业的可持续发展指明方向。
  本书的研究工作由国家自然科学基金委员会和中国科学院联合组织实施,涉及集成电路与光电芯片领域多位专家学者。研究过程充分借鉴了产业发展规律和世界技术发展趋势,并综合考虑了我国产业基础和技术实力,最终形成了本书的研究框架和研究成果,具有较高的科学性、针对性和实用性。
  本书就上述集成电路与光电芯片发展方向、关键技术、发展现状和趋势,以及发展战略展开技术论证,并给出一些发展措施与建议。
  第一章为先进CMOS器件与工艺,由张卫(复旦大学)、王欣然(南京大学)、黎明(北京大学)牵头撰写。
  第二章为 FD-SOI技术,由韩根全(西安电子科技大学)、欧欣(中国科学院上海微系统与信息技术研究所)、玉虓(之江实验室)牵头撰写。
  第三章为半导体存储器技术,由赵巍胜(北京航空航天大学)、刘琦(复旦大学)、蔡一茂(北京大学)牵头撰写。
  第四章为集成电路设计,由朱樟明(西安电子科技大学)、刘雷波(清华大学)、曾晓洋(复旦大学)牵头撰写。
  第五章为集成电路设计自动化,由曾璇(复旦大学)、杨军(东南大学)、初秀琴(西安电子科技大学)牵头撰写。
  第六章为跨维度异质集成,由朱健(中国电子科技集团公司第五十五研究所)、欧欣(中国科学院上海微系统与信息技术研究所)牵头撰写。
  第七章为先进封装技术,由刘胜(武汉大学)牵头撰写。
  第八章为人工智能理论、器件与芯片,由吴华强(清华大学)、杨玉超(北京大学)牵头撰写。
  第九章为碳基芯片,由张志勇(北京大学)、孙东明(中国科学院金属研究所)牵头撰写。
  第十章为(超)宽禁带半导体器件和芯片,由张进成(西安电子科技大学)、马晓华(西安电子科技大学)、郑雪峰(西安电子科技大学)牵头撰写。
  第十一章为量子芯片,由郭国平(中国科技大学)、张建军(中国科学院物理研究所)、程然(浙江大学)牵头撰写。
  第十二章为柔性电子芯片,由王建浦(南京工业大学)、陈永华(南京工业大学)牵头撰写。
  第十三章为混合光子集成技术,由刘永(电子科技大学)、陈向飞(南京大学)牵头撰写。
  第十四章为硅基光电子集成技术,由薛春来(中国科学院半导体研究所)、王兴军(北京大学)、肖希(国家信息光电子创新中心,中国信息通信科技集团有限公司)牵头撰写。
  第十五章为微波光子芯片与集成,由李明(中国科学院半导体研究所)、闫连山(西南交通大学)牵头撰写。
  第十六章为光电融合与集成技术,由祝宁华(中国科学院半导体研究所)牵头撰写。
  第十七章为光子智能芯片技术,由邹卫文(上海交通大学)、邹喜华(西南交通大学)、董建绩(华中科技大学)、项水英(西安电子科技大学)牵头撰写。
  全书绪论和总结展望与发展建议由郝跃(西安电子科技大学)和韩根全(西安电子科技大学)牵头撰写,书稿的协调工作由韩根全(西安电子科技大学)和姚丹阳(西安电子科技大学)共同完成。
  我相信,本书的出版将为相关政府部门和企业单位制定发展战略提供有力参考,也必将指引和帮助广大科技工作者推进关键技术创新,服务于产业升级和产品优化,为实现我国信息产业的自主可控发展和产业竞争力提高做出应有的贡献。展望未来,随着人工智能、大数据、云计算等新技术的广泛应用,新一代信息技术产业正在加速崛起。未来的竞争重心将逐渐从硬件制造向整体解决方案和关键技术创新转变。要适应产业变革的趋势,我国集成电路产业和光电子产业必须在提高自主创新能力的同时,加快融合创新和交叉创新步伐,培育新兴领域的产业生态,实现产业升级和转型。需要说明的是,鉴于半导体芯片技术的不断发展和进步,本报告中难免会有不足甚至不当之处,诚挚恳请广大读者谅解并给予批评指正。
  最后,再次对参与本书研究和撰写的专家学者表示诚挚的谢意。让我们携手共进,不断进行技术创新,促进产学研用深度融合,推动半导体集成电路芯片技术和产业持续发展。
  郝 跃
  《中国集成电路与光电芯片2035发展战略》编写组组长
  2022年6月
摘要
  集成电路自20世纪50年代问世以来,其量产技术遵循着摩尔定律已经发展至3 nm工艺技术节点和3D集成时代,芯片集成度持续增大,芯片性能持续增强。以此为基础的电子信息技术加速创新,万物互联等信息技术全面渗透到经济社会的方方面面,以集成电路为基础的信息产业成为世界第一大产业。当前,随着集成电路晶体管特征尺寸逼近工艺和物理极限,未来半导体产业发展将进入以新结构、新机理、新材料器件为核心竞争角逐的后摩尔时代。在这个大背景下,一方面,硅集成电路将继续沿着摩尔定律按比例缩小的方向前进;另一方面,诸如感存算一体芯片、人工智能类脑芯片以及颠覆性的量子芯片等技术将成为集成电路研究的新方向,从器件到架构的前沿创新支撑着微电子技术不断发展。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。未来,光电芯片将面向大容量、低功耗、集成化与智能化方向发展的新需求,逐步突破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等关键技术。
  集成电路与光电芯片技术是信息产业的基石与强大推动力,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。尤其是在信息技术强国对我国普遍实行严格技术禁运和打压的国际环境下,当前和今后一段时期是我国集成电路与光电芯片技术发展的重要战略机遇期与攻坚期,加强自主集成电路与光电芯片技术的研发工作,布局突破相关关键技术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。本书针对当下集成电路与光电芯片产业的关键技术和难题,聚焦器件工艺、存储、设计、自动化、异质集成、先进封测等核心领域,研究其发展规律和趋势,并探讨实现创新突破的方向和策略。此外,在突破现有存储计算瓶颈的新器件和新架构领域,本书将从人工智能芯片技术、碳基芯片技术、(超)宽禁带材料和芯片技术,以及量子计算器件和芯片技术等方面,分析大数据和物联网(internet of things,IoT)时代下,信息技术产业新兴方向的发展趋势和可行性技术路线。在和集成电路应用紧密结合的光电融合领域,本书将从柔性光电子、混合光电子、硅基光电子、微波光电子,以及智能光电子的芯片集成及光电融合等多个方面,分析光电技术面向新信息化场景下的前沿发展动向。
  面向未来芯片应用发展多元化和专用化趋势,在后摩尔时代,集成电路芯片技术将通过器件、工艺和架构的协同优化创新,逐渐从传统的冯 诺依曼范式向高算力、高密度、低成本、低功耗、多功能集成的新型芯片方向发展。此外,由于光电子集成芯片在光域强大的调控能力和集成潜力,在未来的应用中,实现数据高速传输和处理的光电子集成芯片也将是集成电路的一个重要发展方向。本书将围绕上述集成电路与光电芯片相关方向展开研究和探讨,并为我国集成电路发展实现科技创新引领和产业自立自强提供战略性参考和发展建议。
  
  Abstract
  Since the first demonstration of the integrated circuit (IC) in the 1950s, IC mass production technology, following the well-known Moore’s law, has advanced into 3nm node and 3D integration, the chip integration level continues to increase, and the chip performance continues to improve. Relied on the highly developed transistor technology, the information technology (IT) industry evolves into the electronic era, which further accelerates the application of smart systems like the internet of things (IoT), Big Data/Clouds, etc. into almost every aspect of the world, promoting the IC-based IT applications to become the world’s largest industry. Currently, as the IC transistor scaling is approaching its physical limits, the semiconductor industry has entered the “post-Moore” era which splits of its partial eforts to the exploration of new structures, new mechanisms, and new materials. On the one hand, silicon-based ICs will continue to scale downaccording to Moore’s law. On the other hand, novel technologies such as in-memory computing chips, artificial intelligence (AI) brain-like chips, and disruptive quantum chips become the future IC research directions, and the cutting-edge innovations from devices to architectures support the continuous development of microelectronics technology. Meanwhile, optoelectronic chips have been widely used in the information industry after a long period of technological accumulation. In particular, the optical communication chip has become a very important and irreplaceable product in the communication industry. In the future, optoelectronic chips will face more challenging requirements in terms of larger capacity, lower power consumption, more complicated integration and more intelligent. Breakthroughs are necessary to realize key technologies such as multifunctional heterogeneous integration, optoelectronic integration, and multi-dimensional, multi-parameter, multi-functional, high-efciency modulation, and reconfguration.
  The IC and optoelectronic chip technology are the cornerstones and powerful driving force of the information industry, and also play a strategic role in comprehensive national power and national security. In the current stage and the near future, China is in a critical period to develop its logic and optoelectronic IC technology, especially when the global environment is not welcoming international collaborations. Consequently, China has to gradually and strategically develop its IC industry chain including the intellectual properties of IC technologies, equipment, supply chains, packaging and testing supports, etc. To solve the key technological issues in the current IC and optoelectronic chip industry, this strategy book studies the development rules and trends in the felds including device manufacturing technology, storage technology, design and automation, heterogeneous integration, advanced packaging and testing, accompanied by the in-depth discussion on the direction and methods to achieve innovative breakthroughs in these fields. In addition, in the fields of novel devices and new architectures which outperform the existing storage and computing capabilities, this book will analyze their development trend and feasibility for the Big Data and IoT-related areas like the artificial intelligence chip technology, carbon-based chip technology, (ultra) wideband gap materials and chip technology, and quantum computing devices and chip technology, etc.In the feld of optoelectronic fusion technology, which is closely related to IC technology, the book will analyze the cutting-edge development trends in the new IT application scenarios from the aspects of flexible optoelectronics, hybrid optoelectronics, silicon-based optoelectronics, microwave photonics, as well as chip integration of smart photonic chips and fusion for optoelectronic chips.
  With regard to the diversification and specialization of chip applications in the post-Moore era, the traditional IC technology will gradually migrate from the von Neumann architecture to the more advanced architectures with higher computational power and density, lower cost and power consumption, multi-functions with design optimization and device innovations. In addition, due to the strong regulatory capacity and integration potential of optoelectronic chips in the optical area, optoelectronic chips that can realize high-speed data transmission and processing will be an important development direction in future applications. The book will carry out investigations and discussions on the above-mentioned topics related to ICs and optoelectronic chips, and meanwhile, provide a strategic reference and guidance for our nation to achieve a leading technological position in the international IC industry.
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