后摩尔时代半导体潜在颠覆性技术猜想：找新材料，做新架构

5月14日，国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议在北京召开。中共中央政治局委员、国务院副总理、国家科技体制改革和创新体系建设领导小组组长刘鹤主持会议并讲话。本次会议还专题讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。

什么是后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术?

半导体产业近50年的发展，摩尔定律一直被奉为“金科玉律”。摩尔定律不是数学公式，也不是物理原理，而是基于半导体产业发展做出的预言。通过芯片工艺的演进，每18个月芯片上可容纳的晶体管数量翻一番，达到提成芯片性能和降低成本的目的。

近些年，随着芯片工艺不断演进，硅的工艺发展趋近于其物理瓶颈，晶体管再变小变得困难，越来越多的人认为摩尔定律即将终结，因此后摩尔时代概念随之而出。

所谓后摩尔时代的潜在颠覆性技术，可以理解为绕过现有技术演进的技术。

芯谋研究首席分析师顾文军接受澎湃新闻记者采访时表示：“后摩尔时代有三个方面值得研究，一个是新材料，每一次新技术发展材料都是非常重要的，现在是硅基，以后可能是碳基；第二是架构上的创新；第三，制造封装端，比如Chiplet（芯粒）等都是值得研究的。”顾文军表示还有新的物理器件、新的存储器都值得关注。

北京半导体行业协会副秘书长朱晶告诉澎湃新闻记者，颠覆性技术要沿着计算、存储、功率、感知、通信、AI、类脑等这些方向去寻找。

朱晶曾经在“2020年中国集成电路产业现状回顾和新时期发展展望”一文中对后摩尔时代诸多颠覆性技术有过论述。

朱晶在文中称，当前，在摩尔定律放缓以及算力和存储需求爆发的双重压力下，以硅为主体的经典晶体管很难维持集成电路产业的持续发展，整个产业正快速进入一个大变革的时代，技术创新密集活跃，尤其是围绕新材料和新架构的颠覆性技术将成为后摩尔时代集成电路产业的主要选择。

在新材料方面，朱晶认为通过全新物理机制实现全新的逻辑、存储及互联概念和器件，推动半导体产业的革新。例如，拓扑绝缘体、二维超导材料等能够实现无损耗的电子和自旋输运，可以成为全新的高性能逻辑和互联器件的基础；新型磁性材料和新型阻变材料能够带来高性能磁性存储器如MRAM和阻变存储器，三代化合物半导体材料、绝缘材料、高分子材料等基础材料的技术也在孕育突破。

在架构方面，朱晶认为，以RISC-V为代表的开放指令集及其相应的开源SoC芯片设计、高级抽象硬件描述语言和基于IP的模板化芯片设计方法，将取代传统芯片设计模式，更高效应对快速迭代、定制化与碎片化的芯片需求。类似脑神经结构的存内计算架构将数据存储单元和计算单元融合为一体，能显著减少数据搬运，极大地提高计算并行度和能效。计算存储一体化在硬件架构方面的革新，将突破AI算力瓶颈。基于芯粒的模块化设计方法将实现异构集成，被认为是增强功能及降低成本的可行方法，有望成为延续摩尔定律的新路径。

顾文军也表示，原来的国家重大专项布局到2020年结束，现在是布局新的专项时候了，今年是“十四五”的开局之年，也恰逢半导体全球大变局，现在考虑布局后摩尔时代的颠覆性技术是正确的。

可以预见的是，后摩尔时代的潜在颠覆性技术一旦突破，将颠覆原有的技术轨迹，形成新的替代技术轨道，这也是全球产业界和国家布局后摩尔时代最重要原因。