李爾平

[摘要] 通過分析ICT發(fā)展對中國經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要意義，指出在中國發(fā)展ICT，重點在于發(fā)展高性能核心電子及光子器件，并提出了目前兩項最具影響力的新型技術——三維集成技術和光電子技術。認為三維集成技術以其獨特優(yōu)勢，成為未來微納光電子的發(fā)展方向；而光電子技術在ICT發(fā)展中也正扮演著越來越重要的角色，是未來超高速通信的橋梁。

[關鍵詞] ICT；核心電子器件；摩爾定律；三維集成技術；光電子技術

信息通信產(chǎn)業(yè)是支撐中國經(jīng)濟與社會發(fā)展的關鍵支柱產(chǎn)業(yè)之一，尤其是進入21世紀以來，世界經(jīng)濟的信息化和全球化發(fā)展趨勢日益明顯，ICT促進中國整體產(chǎn)業(yè)結構調整、轉換和升級，成為推動中國經(jīng)濟增長的重要手段，支撐著國家的可持續(xù)發(fā)展。

大力發(fā)展ICT是中國中長期科學和技術發(fā)展方向的重要課題，符合國家的重大戰(zhàn)略需求。在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中提到“重點開發(fā)高性能的核心網(wǎng)絡設備和傳輸設備、接入設備，建立可信的網(wǎng)絡管理體系，開發(fā)智能終端和家庭網(wǎng)絡等設備和系統(tǒng)，支持多媒體、網(wǎng)絡計算等寬帶、安全、泛在的多種新業(yè)務與應用[1]”。2015年5月，國務院公布《中國制造2025》規(guī)劃，在新一代ICT產(chǎn)業(yè)中闡述：“掌握新型計算、高速互聯(lián)、先進存儲、體系化安全保障等核心技術，超高速大用量智能光傳輸技術、未來網(wǎng)絡核心技術和體系架構，推動核心信息通信設備體系化發(fā)展與規(guī)?；瘧肹2]”。

經(jīng)過30多年的發(fā)展，中國信息通信系統(tǒng)整機和設備制造能力已經(jīng)位居世界前列，例如在光通信領域，自主整機產(chǎn)品已占全球網(wǎng)絡的2/5，光接入設備占全球的3/4，光纖光纜占全球的1/2。但中國在ICT核心電子器件技術領域還處于跟跑階段，單在2013年中國集成電路進口2 322億美元，超過原油進口，信息產(chǎn)業(yè)的“芯”在外。制約中國ICT核心電子技術發(fā)展的突出問題包括電子器件加工設備研發(fā)實力薄弱，缺乏標準化和規(guī)范化的電子器件工藝平臺以及芯片模塊化封裝和測試分析技術落后等。ICT核心電子器件在無線通信、高性能計算、智能交通、遠程醫(yī)療、航空航天和深空探測，以及與國家安全相關的空天平臺上通信、雷達、導航和控制系統(tǒng)中的應用舉足輕重。因此，為了確保中國ICT在國際上的可持續(xù)引領作用和對國民經(jīng)濟的重大貢獻，必須從基礎的核心電子器件出發(fā)，重點發(fā)展ICT核心電子器件的相關技術。

1 ICT核心器件發(fā)展的重大技術挑戰(zhàn)

半個世紀以來，微納光電子技術一直遵循摩爾定律，即芯片的集成度每18個月翻一番。對于電子器件小型化和多功能的需求已促使集成電路內的晶體管尺寸減小到了10 nm以下。但是，這一縮小的趨勢受到了嚴峻挑戰(zhàn)，其關鍵問題在于幾下幾點。

（1）互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝已經(jīng)逼近物理極限。首先，隨著特征尺寸的不斷降低，金屬互連的延遲、功耗和噪聲等在不斷增加，互連已經(jīng)取代晶體管成為決定集成電路性能的主要因素及限制其未來發(fā)展的真正瓶頸。其次，能耗密度的急劇增加也限制了高性能集成電路的發(fā)展。高度集成電路的能耗密度大幅提高，已經(jīng)達到每平方厘米100 W，使得芯片直接散熱和冷卻技術面臨很大的挑戰(zhàn)。如圖1所示，多核高性能處理器對數(shù)據(jù)帶寬的要求不斷增加，而現(xiàn)有的互連以及目前的二維平面集成技術已經(jīng)無法滿足多核處理器對高速、寬帶的數(shù)據(jù)通信的要求，功耗問題已是影響時鐘速率提升的關鍵問題。最后，更小尺寸的硅加工技術也是微電子進一步小型化面臨的挑戰(zhàn)。

（2）系統(tǒng)集成各種功能模塊需要多種工藝的支持。當前的嵌入式系統(tǒng)依賴系統(tǒng)芯片（SoC）實現(xiàn)，SoC集成可實現(xiàn)存儲器、數(shù)字電路、模擬電路、射頻電路、大功率電路、光/電器件、電源管理電路、傳感器電路等多種功能模塊的集成。有些電路模塊在特征尺寸減小時并不一定能提高性能，如射頻電路模塊。由于以上原因，很難將眾多的電路均以最佳性能、利用同一工藝集成到一塊SoC芯片中，或者單片SoC集成的成本過高。此外，高密度集成導致管腳開銷急劇增加。

（3）現(xiàn)有光電器件的系統(tǒng)集成方式速度低、損耗大。無線基站系統(tǒng)通常需要由光纖傳輸?shù)墓庑盘柡陀蔁o線信道傳輸?shù)纳漕l信號之間進行轉換。由于光信號和電信號的處理電路依賴不同工藝，無法在單一芯片上集成，因此在現(xiàn)有的系統(tǒng)方案中，這兩部分電路只能以分立器件進行系統(tǒng)集成，這種方式造成信號轉換過程中的損耗極大而且速度低，大大降低了系統(tǒng)的性能。

（4）系統(tǒng)級封裝（SiP）是一種被廣泛采用的高集成度的方法，通過直接在封裝層次集成多個芯片來提高集成度并解決不同工藝集成的問題。但是一些SiP電路中需要用小尺寸工藝芯片驅動較大的外接負載，功耗依然很高。

為解決如上所述的問題，業(yè)界提出了幾個重要的技術，其中最具影響力的為垂直互連的三維器件集成技術和光電子技術。

2 三維集成技術——超越摩爾定律

如圖2所示的三維集成技術的基本思想是在垂直方向疊加芯片，并使用垂直硅通孔（TSV）互連[3]為各芯片之間提供直接、短距離的電路連接。三維集成電子器件和硅通孔技術使芯片能夠更有效地安排空間版圖，減少連線長度，總體連接縮短大約30%～40%，從而顯著提高封裝密度，提高芯片速度。此外，三維集成允許不同工藝的芯片以自然的方式集成，如可以將無線芯片、傳感器、光子器件、微機電系統(tǒng)（MEMS）及CMOS芯片集成在一個芯片上。因此，三維集成技術為目前集成電路面臨的數(shù)據(jù)傳輸帶寬、芯片功耗和速度以及異質芯片集成等問題提供了切實可行的解決途徑[4]。三維集成電路和硅通孔技術將推動半導體行業(yè)向延續(xù)摩爾定律和超越摩爾定律發(fā)展，國際半導體技術發(fā)展藍圖（ITRS）也將以垂直硅通孔為基礎的三維集成列為微納光電子科學與技術發(fā)展的一個非常重要的方向[5]。

三維集成技術對集成電路領域產(chǎn)生了巨大的影響，也帶來了一系列挑戰(zhàn)。首先，由于片上有許多硅通孔（幾千甚至上萬），需要占用片上面積，必須用小孔徑以減少通孔所占用面積，因此研究小孔徑及高深寬比的制造工藝及集成技術，是極具挑戰(zhàn)的技術。其次，三維集成的散熱問題比二維集成重要許多， 這是由于三維高集成度使電路系統(tǒng)的“表面積-體積”比下降很多，進而使得散熱更加困難，尋求更先進熱管理技術對于三維集成至關重要。除此之外，高度集成的電路結構對于電、熱、應力的可靠性研究，設計方法、設計規(guī)則以及測量測試方法也都提出了新的要求。綜上所述，三維集成有其獨特的優(yōu)勢，是未來微納光電子的發(fā)展方向，但目前還存在著關鍵技術挑戰(zhàn)，如熱管理問題、垂直信號傳輸機制與制造技術等問題，解決這些關鍵技術是未來的研究重點。