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下一次工業革命的基礎仍然是半導體信息技術 | 悅讀
2019-05-24 00:05
來源:中國戰略新興產業

 

  本文首發于2019年5月1日期

  《中國戰略新興產業》

  欄目主持:卜文娟

 

  《2018 科學發展報告》

  中國科學院 著 科學出版社 出版

  《2018科學發展報告》旨在全面綜述和分析2017年度國際科學研究前沿進展動態,研判和展望國際重要科學領域研究發展趨勢,揭示和洞察科技領域創新突破及快速應用的重大經濟社會影響,報道和介紹我國科學家具有代表性的重要研究成果,觀察和綜述國際主要科技領域研究進展及科技戰略規劃與研究布局。

 

  半導體產業是一個非常具有活力的高科技產業


  半導體科學與技術的出現和半導體工業的發展使人類進入了高度發達的信息化社會,半導體技術成為支撐所有現代工業和軍事力量的底層核心技術,是保障經濟社會發展和國家安全的戰略性、基礎性和先導性基石。據統計,半導體工業每1美元產值能夠帶動100美元的GDP。無論是民用電子產品還是高精尖的軍用武器,其性能嚴重依賴于所使用的各類半導體器件與芯片的性能,半導體工業的強弱成為衡量一個國家綜合實力的重要標志。經過半個多世紀的高速發展,半導體產業已經成為一個成熟的產業,因其遠高于其他工業品的利潤率和附加值,世界各國仍在不斷加大研發投入來提高在該產業領域的競爭力,由此可見,半導體產業仍然是一個非常具有活力的高科技產業。此外,半導體技術還在不斷孕育新興產業,如大數據、云計算、智能家電、物聯網、無人駕駛、人工智能等。在生物時代、人工智能時代、大數據時代、物聯網時代的爭論中,我們堅信21世紀仍然是信息技術的時代,下一次工業革命的基礎仍然是半導體信息技術。

  半導體分為集成電路、光電子器件、傳感器和分立器件四個主要領域。集成電路又包括模擬電路、邏輯電路、微處理器和存儲器四大類,占據81%的半導體市場份額,主要用來實現數據計算、分析、處理和存儲以及信號處理等,廣泛應用于計算機、手機、電視機、相機、衛星、汽車等各類電子產品中。光電子器件、傳感器和分立器件合稱OSD分立器件,占據剩余的19%市場份額(如果按銷售的器件數量統計則占據71%的份額),用來實現探測、感知、放大、成像等,廣泛用于指紋識別、透視、夜視、制導、遙感、激光雷達、工業自動化、機器人、家用電器、環境監測、醫療設備、網絡通信、汽車電子、消費電子、照明顯示等。同時,由于智能手機、智能家電、物聯網、無人駕駛、無人機、云計算、大數據等產業的興起,對光電子芯片的需求呈明顯上升趨勢。

 

  半導體技術將會面臨新的挑戰 半導體信息技術不斷進步促使大


  數據、云計算、人工智能等新興技術不斷成熟,人類正在由電腦與電腦相連的虛擬互聯網向物物相連的物聯網擴展,視頻監控、智能終端、應用商店等的快速普及導致全球數據量發生爆炸式增長,人類正大步向大數據時代邁進。根據國際數據公司的預測,2020年每人每秒將產生1.7MB數據,全球數據量將增加到44萬億GB。進入大數據時代,信息交換、信息存儲、信息處理三個方面的半導體技術將會面臨新的挑戰。

  在未來,分布式網絡傳感器、大數據中心和計算能力相結合,進一步促進技術創新并提高生活質量,要實現這樣的愿景,無論是小型傳感器、高性能計算機還是其間的網絡系統等都必須最大限度地提高性能,同時最大限度地減少能源消耗并保證安全性和可靠性。為了實現這一目標,迫切需要對超越傳統的互補金屬氧化物半導體器件和電路、馮·諾依曼結構以及信息處理方法進行研究。另外,還需要研發新材料和可擴展工藝,產生新的制造模式,并將這些新技術融入芯片制作中。未來,半導體技術將在諸如人工智能、物聯網、高性能計算以及人類社會期望和依賴的互連世界等應用和領域中取得突破性進展。

  更高的集成度。傳統的硅基半導體技術要按摩爾定律延續發展,必須解決一系列的關鍵技術和專用設備,如新型器件的研發(非傳統CMOS器件、新型存儲器、邏輯器件等),集成電路設計、封裝和測試技術,新型光刻機、刻蝕機等配套設備等。半導體器件的尺寸不能無限制地減小,如果器件尺寸小至電子德布羅意波長(10納米),量子效應將會更加顯著,此時需要在量子力學原理基礎上設計新型半導體器件。以前板級集成的元件,如各種無源元件(電容器、電感器等)和有源元件(天線和濾波器等)以及存儲器和邏輯結構等,已可通過異構系統集成到同一片上,允許每單位體積集成更多的功能。先進的3D集成和封裝技術可實現垂直擴展和功能多樣化,通過異構整合可進一步大幅提升系統性能和功能。從小型嵌入式傳感器到異構“片上系統”,產品多樣性和復雜性日益增加,半導體光電傳感器件將向更長和更短波長、更大功率、更高工作頻率的方向發展。

  集成光電子學領域。以摩爾定律為驅動的傳統的硅基半導體技術似乎觸到了天花板,當前最先進的14納米工藝中央處理器(CPU),1平方厘米內集成了超過20億個晶體管,晶體管尺寸已經接近物理極限,單根金屬導線只有幾納米寬,導線間距只有50納米,CPU的發熱和導線間的信號串擾成為關鍵問題。為了解決這些難題,早在20世紀八九十年代就提出光互連代替電互連的光電集成技術,甚至提出了自旋代替電荷的半導體量子技術來代替傳統微電子。相對于電互連,光互連具有通帶寬、信息量大、損耗小、速度快、能并行處理、抗電磁干擾等優點。革命性的光電集成技術將帶來新的功能和應用。目前在硅片上已經成功制成調制器、波導、光柵、棱鏡和其他無源光學元件等,如果能在硅片上制備出激光器就可以實現光電集成技術。然而硅片是間接帶隙半導體材料,不能制作發光器件。目前科學家們正在解決片上光源的問題,以便在硅片上實現光電集成。

  半導體量子信息技術領域。量子信息科學技術的迅速發展,為精密測量、量子保密通信和量子計算等領域提供了全新的革命性的理論和實驗方法。量子信息技術并不僅是指應用量子器件的信息技術,而主要是指基于量子力學的相干特征,重構密碼、計算和通信等的基本原理。量子信息的物理實現是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置,它們的實現將導致信息科學觀念和模式的重大變革。相對于核磁共振、離子阱、光學腔、超導電子器件、金剛石等量子技術方案,半導體量子系統具有無可比擬的優點,例如可以利用成熟的現代半導體技術,在同一芯片上同時集成傳統電子器件和量子器件。硅基量子計算機最近取得了重大進展,研究人員已經在硅上建立了第一個量子邏輯門,實現了雙量子比特邏輯運算,預示實現硅量子計算的曙光已經出現。自旋代替電荷的半導體量子技術將可以制造出具有非揮發、低功耗、高速和高集成度優點的器件,甚至有可能引起電子信息科學的重大變革。實現自旋為基的量子計算機的主要困難是精確控制和保持自旋相干,因此如何產生自旋相干電子態,以及減小自旋退相干等許多物理問題還有待研究和解決。

 

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