集成电路发展突破口——集成系统

吴林晟， 毛军发。 从集成电路到集成系统。 中国科学： 信息科学， doi： 10.1360/SSI-2022-0414

研究意义

摩尔定律已面临物理、技术与成本极限的多重挑战，集成电路在沿着摩尔定律预测的尺寸缩小路径艰难发展的同时，亟需开辟新的方向。集成电路是我国高新技术与产业被“卡脖子”的一个痛点，从先进材料、元器件、制造装备、测试设备、EDA工具到高端芯片产品全面被禁运，严重制约了我国高新技术的自主发展，甚至威胁到国家安全。因此，快速发展自主可控的集成电路技术已上升到国家战略层面。而由于其强大的功能、优异的性能、对设备要求相对较低以及与欧美差距相对较小，集成系统技术在摩尔定律面临挑战的今天，已成为我国集成电路科技与产业变道超车发展的突破口和历史机遇。

概念内涵

集成系统（Integrated Systems，IS）定义为，将化合物半导体高性能器件或芯片，硅基低成本、高集成度器件或芯片，微机械、微光学、微能源、微流动等元部件，以及无源元件与天线等各种不同工艺种类与节点、不同尺度与架构的元器件、芯片或组件进行集成，实现所需要的微电子系统。集成系统中所有芯片、元器件、互连线在结构上组成一个整体，提升系统高密度、小型化、强功能、高可靠、低功耗、低成本、易设计、易制作等方面的能力。集成系统具有跨尺度、跨材料、跨工艺、跨维度、跨物理、一体化的特征。

一种集成系统示意图

集成系统的技术发展趋势可以总结为： （1）集成度、工作速度不断提高； （2）电-光-声-机-生物多元一体融合； （3）后端集成与前端芯片工艺相向发展。 集成系统面临多物理调控（电磁、温度、应力等）、多性能协同（电磁、信号/电源完整性、热、机械、可靠性等）、多材质融合（硅、化合物半导体、有机、相变材料等）三方面的挑战，需要解决的关键科学技术问题概括为： （1）集成系统体系架构； （2）电-热-力跨尺度耦合多物理效应与演变规律； （3）多性能多功能协同机制； （4）异质界面生成与工艺量化调控机理； （5）可测性原理； （6）集成系统的协同仿真设计。

技术雏形

（1）芯粒技术：近年来兴起的芯粒（Chiplet）技术将单一先进工艺的大芯片分解成多个特征模块，每个模块（芯粒）用各自最适合的工艺实现，再通过先进封装集成技术将其重组为一颗芯片。 （2）封装天线技术：指在包含无线芯片的封装结构中实现集成化的天线或阵列。与射频系统级封装即RF-SiP技术相伴，AiP将无线芯片、天线辐射单元或阵列、封装体及其它必备部件协同设计和一体化集成。 （3）多功能无源元件：将多种不同功能的元件结合为协同或融合设计的多功能元件，可以显著减少系统所需元件和转接数量，大幅减小电路尺寸，降低插损，提高集成度。 （4）异质异构集成技术：将不同工艺节点的化合物半导体材料高性能器件或芯片、硅基低成本高集成度器件或芯片（都含光电子器件或芯片）、无源元件（含MEMS）或天线，通过异质键合或外延生长等方式，在微纳尺度集成实现更高级别的集成电路或系统。作为一种典型的异质异构集成方案，TSMC的SoIC技术是一种创新的多芯片堆叠技术，不再使用微凸点而是直接采用TSV将堆叠裸片垂直联接，具有更高的集成密度和更短的互连。

芯粒技术示意图

封装天线示意图

异质异构技术实现路线

TSMC的SoIC技术及其ImMC应用示意图

编辑：黄飞