朱 晶

(1.北京國(guó)際工程咨詢(xún)有限公司，北京 100055；2.北京半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100191)

0 引言

當(dāng)前集成電路作為關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為先進(jìn)國(guó)家對(duì)我國(guó)全方位“戰(zhàn)略打擊”一張重要的“牌”，因此無(wú)論是國(guó)家安全、全球競(jìng)爭(zhēng)還是社會(huì)發(fā)展，都迫切需要集成電路領(lǐng)域的重大突破來(lái)提供強(qiáng)大支撐。而集成電路新一輪科技革新正進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期，以前沿技術(shù)、顛覆性技術(shù)為核心的布局有可能對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)具有另辟蹊徑的變革性意義，日益受到社會(huì)各屆和國(guó)家的高度關(guān)注。北京作為國(guó)內(nèi)集成電路科研創(chuàng)新資源最為集中的創(chuàng)新策源地，應(yīng)該在產(chǎn)業(yè)前沿和顛覆性創(chuàng)新上下足功夫，著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)超前部署集成電路國(guó)際前沿技術(shù),為解決事關(guān)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的問(wèn)題提供戰(zhàn)略性技術(shù)儲(chǔ)備，推動(dòng)北京在助力我國(guó)加快實(shí)現(xiàn)科技自立自強(qiáng)上發(fā)揮引領(lǐng)作用。

1 對(duì)集成電路前沿技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的研判

當(dāng)前，摩爾定律雖仍在延續(xù)，但晶體管微小型化的平面布局逼近物理與工藝極限，技術(shù)升級(jí)明顯放緩，以硅為主體的經(jīng)典晶體管難以維持集成電路產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。而基于新材料和工藝、三維異構(gòu)集成、開(kāi)源新架構(gòu)等多個(gè)領(lǐng)域前沿技術(shù)創(chuàng)新成為突破方向，將持續(xù)推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)的變革。

1.1 從各國(guó)發(fā)布的集成電路領(lǐng)域重大科研計(jì)劃看技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前集成電路已經(jīng)成為各國(guó)競(jìng)相角逐和儲(chǔ)備的戰(zhàn)略物資，為搶占經(jīng)濟(jì)、軍事、安全、科研等領(lǐng)域的全方位優(yōu)勢(shì)，各國(guó)紛紛采取一系列重大戰(zhàn)略規(guī)劃和政策措施全力搶占集成電路前沿核心技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)控制權(quán)。

1.1.1 美國(guó)重點(diǎn)布局基礎(chǔ)架構(gòu)、材料和異構(gòu)集成領(lǐng)域

美國(guó)2017 年啟動(dòng)由國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)牽頭實(shí)施的電子復(fù)興計(jì)劃(ERI)[1-3]，第一階段重點(diǎn)面向集成電路下一代邏輯和存儲(chǔ)器件所需的候選材料和集成、架構(gòu)、設(shè)計(jì)三個(gè)研發(fā)攻關(guān)方向部署。2020 年DARPA對(duì)ERI 計(jì)劃進(jìn)行了更新，提出了四個(gè)關(guān)鍵的發(fā)展領(lǐng)域：三維異構(gòu)集成、新材料和器件(面向集成電路下一代邏輯和存儲(chǔ)器件所需的候選材料)、專(zhuān)用功能(例如根據(jù)軟件需求進(jìn)行調(diào)整的可重構(gòu)物理架構(gòu)、加速器組合架構(gòu)等)、設(shè)計(jì)和安全。更新后的ERI 計(jì)劃在以前的三大方向基礎(chǔ)上進(jìn)一步突出了前沿新技術(shù)領(lǐng)域的重要性。例如ERI 第二階段部署的首個(gè)項(xiàng)目“面向極端可擴(kuò)展性的封裝光子(PIPES)”探索把光子學(xué)帶入芯片的技術(shù)。此外，下一代氮化鎵晶體管、超導(dǎo)電路設(shè)計(jì)工具、生物基半導(dǎo)體等技術(shù)也是美國(guó)政府關(guān)注的重點(diǎn)。表1 所示為美國(guó)ERI 計(jì)劃部分內(nèi)容。

表1 美國(guó)ERI 計(jì)劃部分內(nèi)容

1.1.2 歐洲積極布局工業(yè)半導(dǎo)體和先進(jìn)工藝

歐洲正逐漸加大對(duì)半導(dǎo)體和集成電路開(kāi)發(fā)的投資力度，2018 年歐盟委員通過(guò)了法、德、意、英四國(guó)共同提出的“微電子聯(lián)合研究創(chuàng)新項(xiàng)目”，用于研發(fā)與工業(yè)場(chǎng)景聯(lián)系緊密的芯片、集成電路、傳感器等創(chuàng)新性技術(shù)與元器件。重點(diǎn)研發(fā)高能效芯片、功率半導(dǎo)體、智能傳感器、先進(jìn)的光學(xué)設(shè)備、替代硅的復(fù)合材料五大技術(shù)領(lǐng)域。2019 年，歐洲國(guó)家電子元件和系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)地位聯(lián)合執(zhí)行體(ECSEL JU)多年度戰(zhàn)略計(jì)劃(2020)中明確了四個(gè)重點(diǎn)研究方向：第一，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的邏輯和存儲(chǔ)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)集成和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)性能，擴(kuò)展傳統(tǒng)ICT 環(huán)境和更具挑戰(zhàn)性的條件(如低溫)；第二，開(kāi)發(fā)異構(gòu)片上系統(tǒng)(SoC)集成技術(shù)；第三，通過(guò)組合封裝中的異構(gòu)構(gòu)建塊，開(kāi)發(fā)先進(jìn)封裝和智能封裝系統(tǒng)(SiP)技術(shù)；第四，在半導(dǎo)體設(shè)備、材料和制造解決方案方面擴(kuò)大世界領(lǐng)先地位，包括先進(jìn)或新型半導(dǎo)體積木、符合摩爾定律的先進(jìn)邏輯和存儲(chǔ)器技術(shù)以及異構(gòu)集成技術(shù)。2020 年歐盟17 個(gè)國(guó)家共同簽署了《歐洲處理器和半導(dǎo)體科技計(jì)劃聯(lián)合聲明》，要在接下來(lái)的2～3 年時(shí)間內(nèi)投入1 450 億歐元(折合約11 579 億元人民幣)的資金，用于研究2 nm 先進(jìn)工藝制造、先進(jìn)處理器等半導(dǎo)體技術(shù)，建立起歐洲獨(dú)有的先進(jìn)的芯片設(shè)計(jì)以及產(chǎn)能。

1.1.3 日韓主要面向人工智能與半導(dǎo)體融合領(lǐng)域進(jìn)行投資布局

日本出于對(duì)國(guó)際研發(fā)投資的危機(jī)感，2019 年初啟動(dòng)了旨在支持顛覆性創(chuàng)新、復(fù)興科技創(chuàng)新立國(guó)的新項(xiàng)目——“登月型”研發(fā)項(xiàng)目。從解決未來(lái)日本國(guó)內(nèi)外社會(huì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題角度，提出了面向2050 年的研發(fā)目標(biāo)。主要與半導(dǎo)體相關(guān)的包括通用人工智能、容錯(cuò)型通用量子計(jì)算機(jī)等支持方向。韓國(guó)近年來(lái)在集成電路和半導(dǎo)體領(lǐng)域連續(xù)出臺(tái)了多項(xiàng)重大科技計(jì)劃和一批具體科技政策，包括《研發(fā)投資系統(tǒng)創(chuàng)新方案》、《以人工智能強(qiáng)國(guó)為目標(biāo)的人工智能半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》，以及為應(yīng)對(duì)日本零部件出口限制的《材料、零部件、裝備2.0 戰(zhàn)略》等，將在未來(lái)10 年投資1.5 萬(wàn)億韓元，以支持人工智能芯片合并存儲(chǔ)器和運(yùn)算功能的存算內(nèi)一體芯片研發(fā)。

1.1.4 中國(guó)臺(tái)灣重點(diǎn)發(fā)展光子集成電路、人工智能芯片和先進(jìn)工藝

中國(guó)臺(tái)灣在2018 年啟動(dòng)了四年40 億新臺(tái)幣的半導(dǎo)體“射月計(jì)劃”，主要面向人工智能場(chǎng)景所需的“前瞻感測(cè)元件、電路與系統(tǒng)”、“下一代存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)”、“感知運(yùn)算與人工智能芯片”、“物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與安全”、“無(wú)人機(jī)與AR/VR 應(yīng)用元件、電路與系統(tǒng)”、“新興半導(dǎo)體制程、材料與元件技術(shù)(3 nm 及以下)”六大前沿領(lǐng)域。此外中國(guó)臺(tái)灣還在光子集成電路領(lǐng)域出臺(tái)了“硅光子與集成電路”專(zhuān)案研究計(jì)劃，積極整合臺(tái)灣在集成電路先進(jìn)工藝及封測(cè)、光電產(chǎn)業(yè)上的優(yōu)勢(shì)資源，研發(fā)硅光子主被動(dòng)元器件、硅光集成電路與系統(tǒng)、工藝與封測(cè)量測(cè)等核心技術(shù)，建立硅光生態(tài)鏈及IP 布局。2020 年中國(guó)臺(tái)灣發(fā)布埃米(＜1 nm)世代半導(dǎo)體發(fā)展計(jì)劃(? 世代半導(dǎo)體-先端技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈自主發(fā)展計(jì)劃)，計(jì)劃在2021-2025 年間，投入近43.72 億元新臺(tái)幣來(lái)探尋1 nm 以下產(chǎn)業(yè)方向，包括設(shè)備、儀器、材料與制程技術(shù)等瓶頸。

1.1.5 中國(guó)大陸加強(qiáng)后摩爾時(shí)代基礎(chǔ)技術(shù)研究的投入

我國(guó)在2019 年-2021 年連續(xù)三年發(fā)布“后摩爾時(shí)代新器件基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃，主要面向芯片自主發(fā)展的國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，以芯片的基礎(chǔ)問(wèn)題為核心，旨在針對(duì)后摩爾時(shí)代芯片技術(shù)的算力瓶頸，圍繞三個(gè)核心科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)研究。一是研究CMOS 器件能耗邊界及突破機(jī)理；二是突破硅基速度極限的器件機(jī)制；三是研究超越經(jīng)典馮·諾依曼架構(gòu)能效的機(jī)制。

1.2 從Gartner 發(fā)布的技術(shù)成熟度曲線(xiàn)看技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)高德納咨詢(xún)(Gartner)公司提出的技術(shù)成熟度曲線(xiàn)(The Hype Cycle)是對(duì)各種新技術(shù)的一般發(fā)展模式的圖形描述[4]，是評(píng)估技術(shù)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)潛力的工具。

依據(jù)Gartner 在2020 年發(fā)布的新興半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)成熟度曲線(xiàn)[5](如圖1 所示)，正處于萌芽期的技術(shù)包括氧化鎵晶體管、三進(jìn)制邏輯系統(tǒng)、芯片級(jí)硅光互聯(lián)、神經(jīng)形態(tài)/類(lèi)腦器件、太赫茲通信等，業(yè)界對(duì)這些技術(shù)的期望值逐步攀升，但這些技術(shù)離主流應(yīng)用尚遠(yuǎn)，至少還需要5 年或10 年以上才能看到真正的市場(chǎng)需求和成熟的產(chǎn)品。

圖1 新興領(lǐng)域集成電路相關(guān)技術(shù)成熟度曲線(xiàn)[5]

處于炒作過(guò)熱期的技術(shù)包括新型晶體管 (例如環(huán)繞柵極晶體管GAA 或者負(fù)電容晶體管等)、無(wú)線(xiàn)電能量收集、毫米波、ReRAM 憶阻器以及深度學(xué)習(xí)專(zhuān)用集成電路、嵌入式AI 芯片、邊緣計(jì)算AI 芯片、eFPGA、RISC-V開(kāi)源架構(gòu)芯片等智能計(jì)算類(lèi)芯片，硅基氮化鎵和SiC 等化合物半導(dǎo)體也處于炒作期。這些技術(shù)距離主流應(yīng)用普遍在2～5 年間，只有硅基氮化鎵和ReRAM 憶阻器需要5～10 年，而量子計(jì)算芯片盡管距離主流應(yīng)用還有10 年以上，也依然被過(guò)熱炒作。

由于當(dāng)前產(chǎn)品的成熟度難以滿(mǎn)足過(guò)高的期望，一部分技術(shù)正處于幻想破滅期，人們對(duì)這些技術(shù)的關(guān)注度正快速降低，例如碳基的晶體管和碳基存儲(chǔ)器(NRAM)等。而可重構(gòu)計(jì)算和軟件定義無(wú)線(xiàn)電、STT-MRAM、相變存儲(chǔ)器、傳感器融合正在遠(yuǎn)離炒作而更快地進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)以達(dá)到真正的市場(chǎng)需求，這些技術(shù)有望在2～5 年內(nèi)成為主流應(yīng)用。而碳基技術(shù)還需要再等5～10 年。

1.3 對(duì)集成電路前沿技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的研判

綜合各個(gè)集成電路先進(jìn)國(guó)家及地區(qū)發(fā)布的集成電路領(lǐng)域重大科研計(jì)劃，以及美國(guó)高德納咨詢(xún)(Gartner)公司提出的新興領(lǐng)域集成電路相關(guān)技術(shù)成熟度曲線(xiàn)中重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，可以總結(jié)出如下集成電路前沿技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

1.3.1 磁性、碳基和二維材料等新材料創(chuàng)新備受關(guān)注

新材料將通過(guò)全新物理機(jī)制實(shí)現(xiàn)全新的邏輯、存儲(chǔ)及互聯(lián)概念和器件，推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的革新。拓?fù)浣^緣體、二維超導(dǎo)材料等能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)損耗的電子和自旋輸運(yùn)，可成為全新的高性能邏輯和互聯(lián)器件的基礎(chǔ)；新型磁性材料和新型阻變材料能夠帶來(lái)高性能磁性存儲(chǔ)器如MRAM和阻變存儲(chǔ)器。碳納米管、石墨烯等碳基材料的技術(shù)突破已可滿(mǎn)足大規(guī)模集成電路的制備要求，為柔性電子提供了更好的材料選擇。高質(zhì)量的二維材料是潛在的下一代替代材料，但距離傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)至少還有十年的時(shí)間。除石墨烯外，較有希望的二維材料包括二硒化鎢和二硫化鉬等過(guò)渡金屬二鹵化物，但仍處于初級(jí)研究階段[6]。

1.3.2 異質(zhì)集成開(kāi)拓摩爾時(shí)代新路徑

作為超越摩爾定律發(fā)展的重要途徑之一，異質(zhì)集成技術(shù)已從多種不同材質(zhì)芯片的二維三維封裝發(fā)展到在同一襯底上外延集成具有多種材料和結(jié)構(gòu)的器件[7-10]。例如硅光異質(zhì)集成，通過(guò)電子電路和光子電路的集成形成混合光電框架進(jìn)行硬件革新，利用光的優(yōu)異特性，如低延遲、低損耗、超寬頻帶、多維復(fù)用、波動(dòng)特性等，與微電子技術(shù)結(jié)合，在硅襯底上巧妙構(gòu)造軟硬件深度融合的光電計(jì)算體系，解決傳統(tǒng)微電子處理器在高速計(jì)算應(yīng)用上的算力、能耗和輸入輸出瓶頸問(wèn)題，將在通信、數(shù)據(jù)中心操作和云計(jì)算等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用[11]。

1.3.3 計(jì)算架構(gòu)呈現(xiàn)開(kāi)源、異構(gòu)化發(fā)展

以CPU為中心的傳統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)難以滿(mǎn)足當(dāng)代海量數(shù)據(jù)處理的要求，面向人工智能、大數(shù)據(jù)時(shí)代的先進(jìn)計(jì)算模式圍繞多核并行、異構(gòu)并行、邊緣計(jì)算等體系架構(gòu)創(chuàng)新而多路徑演進(jìn)。計(jì)算存儲(chǔ)一體化在硬件架構(gòu)方面的革新，存內(nèi)計(jì)算架構(gòu)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和計(jì)算單元融合為一體，能顯著減少數(shù)據(jù)搬運(yùn)，極大地提高計(jì)算并行度和能效，將突破人工智能算力瓶頸。軟硬系統(tǒng)垂直整合成為現(xiàn)下主流廠(chǎng)商布局焦點(diǎn)，通過(guò)軟件硬件的協(xié)同，提升系統(tǒng)應(yīng)用性能[7，10]。以RISC-V為代表的開(kāi)放指令集架構(gòu)創(chuàng)新及其相應(yīng)的開(kāi)源SoC 芯片設(shè)計(jì)成為新風(fēng)口，高級(jí)抽象硬件描述語(yǔ)言和基于IP 的模板化芯片設(shè)計(jì)方法將取代傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)模式，更高效應(yīng)對(duì)快速迭代、定制化與碎片化的芯片需求。

1.3.4 集成電路與多學(xué)科融合將拓展技術(shù)應(yīng)用空間

集成電路作為信息應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的硬件載體，正不斷通過(guò)與生命、數(shù)理、材料、工程等多學(xué)科的交叉融合，拓展各類(lèi)新興應(yīng)用空間。以腦機(jī)接口為代表的神經(jīng)技術(shù)的突破使得腦科學(xué)與集成電路之間的結(jié)合越來(lái)越緊密，腦機(jī)接口芯片對(duì)神經(jīng)工程的發(fā)展起到了重要支撐與推動(dòng)作用，幫助人類(lèi)從更高維度空間進(jìn)一步解析人類(lèi)大腦的工作原理。腦機(jī)融合及其一體化已成為未來(lái)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。量子計(jì)算的工程化尚處于初始發(fā)展階段，其核心的量子芯片已嶄露頭角，超導(dǎo)、量子點(diǎn)(電子自旋)、微納光子系統(tǒng)、離子阱、金剛石5 種技術(shù)路線(xiàn)發(fā)展各具特色，總體向固態(tài)化、長(zhǎng)相干時(shí)間和多量子比特方向發(fā)展，其中超導(dǎo)量子芯片和離子阱量子比特芯片更接近工程化[12]。

2 北京集成電路前沿領(lǐng)域主要研究進(jìn)展和布局方向

北京市的科研創(chuàng)新資源聚集，擁有多所示范性微電子學(xué)院，高校、科研院所集成電路科研智力資源儲(chǔ)備雄厚，集聚了一批戰(zhàn)略性科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才及其高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，在集成電路前沿技術(shù)領(lǐng)域具備先導(dǎo)研發(fā)優(yōu)勢(shì)。

2.1 北京集成電路領(lǐng)域主要科研團(tuán)隊(duì)和成果

2.1.1 碳基材料與新型磁存儲(chǔ)領(lǐng)域全球領(lǐng)先

北京在碳基集成電路和新型磁存儲(chǔ)領(lǐng)域具備躋身國(guó)際領(lǐng)跑行列的優(yōu)勢(shì)。北京大學(xué)彭練矛院士團(tuán)隊(duì)全球首創(chuàng)高密度高純半導(dǎo)體碳納米管陣列薄膜晶圓制備技術(shù)，首次突破了超大規(guī)模碳管集成電路發(fā)展的材料瓶頸?；谠摬牧希状握故玖诵阅艹^(guò)相同尺寸的硅基CMOS電路的碳納米管集成電路，在國(guó)際上保持至少兩年的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)[13]。北京航空航天大學(xué)趙巍勝團(tuán)隊(duì)發(fā)明的自旋協(xié)同矩效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)高速讀寫(xiě)非易失自旋存儲(chǔ)器件[14]，是當(dāng)前磁性存儲(chǔ)器(MRAM)領(lǐng)域的領(lǐng)先候選技術(shù)，已被列入格羅方德的MRAM 發(fā)展路線(xiàn)圖，IMEC 及英特爾等機(jī)構(gòu)及企業(yè)也都基于該效應(yīng)研制其新一代自旋存儲(chǔ)器。該團(tuán)隊(duì)還成功制備出國(guó)內(nèi)首個(gè)80 nm 自旋轉(zhuǎn)移矩-磁隨機(jī)存儲(chǔ)器器件(STT-MRAM)，相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先，受到學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。

2.1.2 智能計(jì)算群體式躍升條件已初步具備

北京在先進(jìn)智能計(jì)算芯片領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)方面、計(jì)算系統(tǒng)、企業(yè)布局方面已積累了一定量級(jí)的底層儲(chǔ)備，并且?guī)缀踉趯?zhuān)用深度學(xué)習(xí)處理器、存算一體芯片、可重構(gòu)人工智能芯片、開(kāi)源RISC-V 架構(gòu)芯片等所有智能計(jì)算芯片的技術(shù)路線(xiàn)上都有布局，群體式躍升條件初步形成。清華大學(xué)魏少軍、尹首一團(tuán)隊(duì)，是創(chuàng)新芯片架構(gòu)技術(shù)——可重構(gòu)計(jì)算的提出者和引領(lǐng)者，推出了面向深度學(xué)習(xí)應(yīng)用的完全中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可重構(gòu)計(jì)算芯片——“Thinker”，被《MIT Technology Review》評(píng)價(jià)為中國(guó)的頂級(jí)成就[15]。清華大學(xué)錢(qián)鶴、吳華強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于多個(gè)憶阻器陣列的存算一體系統(tǒng)，大幅提升了計(jì)算設(shè)備的算力，證明了存算一體技術(shù)在人工智能等領(lǐng)域應(yīng)用的可行性及廣闊前景。在開(kāi)源RISC-V 架構(gòu)方面，北京擁有較為完整的RISC-V 產(chǎn)業(yè)生態(tài)基礎(chǔ)。由北京新型研發(fā)機(jī)構(gòu)微芯邊緣計(jì)算研究院主要發(fā)起的中關(guān)村科學(xué)城開(kāi)源芯片源碼創(chuàng)新中心設(shè)立在北京，聚焦RISC-V 全球標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建、RISC-V 開(kāi)源平臺(tái)和社區(qū)建設(shè)以及RISC-V 架構(gòu)的處理器內(nèi)核、配套基礎(chǔ)軟件和芯片的研發(fā)創(chuàng)新。

2.1.3 硅光和光子集成電路極具研發(fā)資源優(yōu)勢(shì)

北京在光電子領(lǐng)域匯聚全國(guó)頂尖的科技資源[16]，已積累了深厚的技術(shù)儲(chǔ)備。近五年來(lái)，北京在光電子領(lǐng)域獲國(guó)家獎(jiǎng)共計(jì)15 項(xiàng)，占全國(guó)(40 項(xiàng))總數(shù)的將近40%。在光通信、光傳感材料與器件研發(fā)方面處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先甚至國(guó)際領(lǐng)先的地位。北京聚集了涉及光電子材料生長(zhǎng)、光電子器件制備、平臺(tái)工藝等領(lǐng)域的30 多個(gè)優(yōu)勢(shì)團(tuán)隊(duì)，涌現(xiàn)出北京大學(xué)周治平團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)黃翊東團(tuán)隊(duì)、中科院半導(dǎo)體所劉峰奇團(tuán)隊(duì)、中科院物理所張建軍團(tuán)隊(duì)、中科院微電子所王文武團(tuán)隊(duì)等具有國(guó)際影響力的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)。面向超大容量光互連需求，北京大學(xué)彭超副教授團(tuán)隊(duì)從拓?fù)湟暯浅霭l(fā)實(shí)現(xiàn)了不依靠反射鏡的光定向輻射技術(shù)，顯著降低片上光端口的插損，為高密度光子集成及光子芯片開(kāi)拓新方向。此外北京中科院微電子所還率先搭建了硅基光電子工藝平臺(tái)，是我國(guó)首個(gè)具有完整硅光子工藝流片能力的平臺(tái)，使北京具備了實(shí)現(xiàn)全鏈條創(chuàng)新的硬件基礎(chǔ)條件。

2.1.4 類(lèi)腦研究、腦機(jī)接口等領(lǐng)域研究活躍

北京在腦科學(xué)領(lǐng)域從基礎(chǔ)研究到創(chuàng)新應(yīng)用，均處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，尤其是在腦認(rèn)知及類(lèi)腦研究、腦機(jī)接口等領(lǐng)域擁有全國(guó)最完整的學(xué)科布局。北京大學(xué)黃如院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)出高精度模擬生物突觸多種短時(shí)程、長(zhǎng)時(shí)程可塑性的突觸晶體管，除具有豐富的類(lèi)生物突觸可塑性之外，該器件的單次突觸事件能耗達(dá)到與生物突觸相當(dāng)?shù)乃剑瑢?duì)低功耗類(lèi)腦計(jì)算電路和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。清華大學(xué)微納電子系的錢(qián)鶴、吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)利用憶阻器的仿生與存算一體特性，合作提出了基于憶阻器陣列的新型腦機(jī)接口，構(gòu)建了高效智能的腦電神經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)93.46%準(zhǔn)確率的大腦癲癇狀態(tài)識(shí)別，并將系統(tǒng)功耗降低400 多倍。清華大學(xué)施路平團(tuán)隊(duì)研發(fā)出世界首款異構(gòu)融合類(lèi)腦芯片，也是世界上第一個(gè)既可支持脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又可支持人工神經(jīng)網(wǎng)路的人工智能芯片，在類(lèi)腦芯片領(lǐng)域獲得了全球同行的認(rèn)可。

2.2 北京集成電路領(lǐng)域前沿技術(shù)未來(lái)布局方向的思考

結(jié)合上述北京目前具有技術(shù)引領(lǐng)優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域情況，綜合考慮各技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)和階段，可以得到北京應(yīng)該重點(diǎn)布局的優(yōu)先級(jí)矩陣，如表2 所示。從優(yōu)先級(jí)矩陣可以看出，北京應(yīng)優(yōu)先發(fā)展STT-MRAM、RISC-V 開(kāi)源架構(gòu)、邊緣計(jì)算AI 芯片、可重構(gòu)計(jì)算、碳化硅器件、深度學(xué)習(xí)專(zhuān)用集成電路等在2 年內(nèi)或者2～5 年內(nèi)會(huì)有明顯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展的技術(shù)，由于這些技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，適合以企業(yè)為主體進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化布局。北京還應(yīng)該利用在集成電路科研智力資源的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，加大力度支持ReRAM 阻變存儲(chǔ)器、芯片級(jí)硅光互聯(lián)、碳基晶體管、碳納米管存儲(chǔ)器(NRAM)、硅基氮化鎵器件、非馮架構(gòu)類(lèi)腦器件等在5～10 年會(huì)成為主流應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)，這些技術(shù)還處在相對(duì)早期的階段，適合以高校及科研單位為主體開(kāi)展嘗試性前沿探索研究。

表2 北京集成電路前沿技術(shù)應(yīng)該重點(diǎn)布局的優(yōu)先級(jí)矩陣

3 結(jié)論

先進(jìn)國(guó)家在集成電路前沿領(lǐng)域的積極布局和大力扶持啟示我們，北京應(yīng)該去充分思考在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重大機(jī)遇前，如何找準(zhǔn)北京的著力點(diǎn)和突破點(diǎn)，前瞻布局下一代可能改變“競(jìng)爭(zhēng)賽道”和“游戲規(guī)則”的前沿領(lǐng)域，去搶抓技術(shù)變革的制高點(diǎn)和下一代技術(shù)引領(lǐng)的話(huà)語(yǔ)權(quán)，突破更多國(guó)家重大技術(shù)短板，為保障產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全穩(wěn)定提供有力支撐，在國(guó)家應(yīng)對(duì)全球性挑戰(zhàn)中貢獻(xiàn)更多“北京智慧”。

一是充分認(rèn)識(shí)集成電路基礎(chǔ)研究投入的戰(zhàn)略意義，對(duì)前沿性、顛覆性技術(shù)創(chuàng)新加強(qiáng)識(shí)別評(píng)估和全過(guò)程培育。

集成電路基礎(chǔ)研究不僅對(duì)解決“卡脖子”技術(shù)至關(guān)重要，也是集成電路前沿創(chuàng)新領(lǐng)域不可忽視的重要因素。從國(guó)際先進(jìn)國(guó)家對(duì)集成電路前沿領(lǐng)域的科研計(jì)劃和重大規(guī)劃布局來(lái)看，任何前沿性、顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新都離不開(kāi)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究作為支撐，特別是在集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革和創(chuàng)新踴躍的時(shí)代，重視前沿性、顛覆性技術(shù)，更要重視背后的基礎(chǔ)內(nèi)涵和原始創(chuàng)新。北京要充分利用科研資源密集的優(yōu)勢(shì)，向集成電路領(lǐng)域各類(lèi)創(chuàng)新載體和新型研發(fā)機(jī)構(gòu)征集、推薦和挖掘潛在的前沿及顛覆性技術(shù)[17]，并通過(guò)對(duì)前沿和顛覆性技術(shù)的預(yù)測(cè)、識(shí)別、評(píng)估分析，尤其是對(duì)目前北京已經(jīng)具備領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)并且具備一定技術(shù)成熟度的領(lǐng)域，如MRAM 磁性存儲(chǔ)器、基于RISC-V 新架構(gòu)的智能計(jì)算、硅基氮化鎵和SiC 等化合物半導(dǎo)體等，應(yīng)依托專(zhuān)業(yè)集成電路技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)跟進(jìn)這些前沿技術(shù)創(chuàng)新從研發(fā)、創(chuàng)新培育到產(chǎn)業(yè)化的全過(guò)程，評(píng)估不同類(lèi)型不同成熟度的技術(shù)預(yù)期的轉(zhuǎn)化時(shí)間，以及所需要的創(chuàng)新資源和產(chǎn)業(yè)化配套政策等，完善培育前沿及顛覆性集成電路技術(shù)的相關(guān)機(jī)制。

二是探索與產(chǎn)業(yè)需求和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的支持方式和組織模式。

集成電路領(lǐng)域前沿技術(shù)不確定性強(qiáng)，單純從形成科研成果的角度去支持培育，很難真正產(chǎn)生對(duì)產(chǎn)業(yè)具有重大影響的關(guān)鍵技術(shù)。因此需要參考借鑒美國(guó)ERI 計(jì)劃、中國(guó)臺(tái)灣半導(dǎo)體“射月計(jì)劃”等國(guó)家和地區(qū)對(duì)集成電路前沿技術(shù)的支持方式和組織模式，引導(dǎo)重點(diǎn)科研計(jì)劃與產(chǎn)業(yè)需求和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。建議北京市可以依托眾多高校及科研院所、央企國(guó)企等創(chuàng)新資源，建立產(chǎn)業(yè)目標(biāo)導(dǎo)向的前沿技術(shù)庫(kù)，支持領(lǐng)軍企業(yè)積極申報(bào)參與這些尚處在科研階段的前沿項(xiàng)目，引導(dǎo)大型骨干企業(yè)加強(qiáng)與前沿科學(xué)對(duì)接，以協(xié)同合作、眾包眾籌等方式，精準(zhǔn)破解產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性問(wèn)題。支持在重點(diǎn)行業(yè)的央企、市屬?lài)?guó)企、領(lǐng)軍民營(yíng)企業(yè)與國(guó)家、省、市自然科學(xué)基金建立聯(lián)合基金，推進(jìn)大中小企業(yè)、國(guó)有和民營(yíng)企業(yè)的融通創(chuàng)新，探索以后補(bǔ)助方式支持企業(yè)投入基礎(chǔ)研究的新機(jī)制，同時(shí)加大對(duì)依托領(lǐng)軍企業(yè)組建的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持力度[18]。

三是對(duì)不同階段的集成電路前沿技術(shù)領(lǐng)域分類(lèi)建立長(zhǎng)效穩(wěn)定的支持機(jī)制。

由于集成電路前沿及顛覆性技術(shù)具備一定的前瞻性，往往領(lǐng)先于現(xiàn)有市場(chǎng)，大部分都存在現(xiàn)有市場(chǎng)需求不足的情況，因此對(duì)于目前北京具備領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)和發(fā)展基礎(chǔ)的領(lǐng)域，可以分階段分類(lèi)建立長(zhǎng)效穩(wěn)定的支持機(jī)制，形成有重點(diǎn)、有梯度、有層次的前沿技術(shù)布局，幫助這些技術(shù)跨越創(chuàng)新的“死亡之谷”(科技成果無(wú)法有效地商品化、產(chǎn)業(yè)化，導(dǎo)致科技成果與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之間出現(xiàn)斷層，被稱(chēng)為科技成果轉(zhuǎn)化的“死亡之谷”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象普遍存在于各國(guó)創(chuàng)新活動(dòng)中，我國(guó)尤其明顯。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)科技成果轉(zhuǎn)化率僅為10%左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家40%的水平)。對(duì)于離主流應(yīng)用階段尚遠(yuǎn)，還處于技術(shù)萌芽期的領(lǐng)域，例如碳基集成電路、量子計(jì)算芯片等，可以穩(wěn)定支持與競(jìng)爭(zhēng)相結(jié)合，以政府主導(dǎo)的重大科研計(jì)劃進(jìn)行穩(wěn)定支持為主，但需大幅提高重大科研計(jì)劃對(duì)這類(lèi)前沿技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目的支持周期和支持力度。對(duì)于技術(shù)成熟度較高，成果轉(zhuǎn)化風(fēng)險(xiǎn)較低的領(lǐng)域，可以加大企業(yè)的投入和引入社會(huì)資本，推動(dòng)這些前沿技術(shù)盡快與現(xiàn)有市場(chǎng)需求對(duì)接，促進(jìn)新技術(shù)和新生態(tài)的培育壯大。

四是營(yíng)造對(duì)前沿創(chuàng)新更加包容的環(huán)境，培育集聚一流的多元化、國(guó)際化集成電路戰(zhàn)略性科學(xué)家。

集成電路是高度依賴(lài)人才創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)，美國(guó)等集成電路先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)的重大科研計(jì)劃和戰(zhàn)略規(guī)劃得以實(shí)施，主要源于全球各地的高層次、多學(xué)科專(zhuān)業(yè)人才的支撐。而前沿及顛覆性技術(shù)往往是過(guò)于超前、另辟蹊徑、對(duì)已有主流技術(shù)路徑形成顛覆性替代的技術(shù)，很難得到業(yè)界或者傳統(tǒng)思維的“共識(shí)”，因此必須通過(guò)營(yíng)造鼓勵(lì)創(chuàng)新、寬容失敗的社會(huì)氛圍，建設(shè)有利于顛覆性技術(shù)成果孵化的環(huán)境，才能穩(wěn)固和吸引全球最頂尖的創(chuàng)新型人才形成集聚。建議北京提供具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和吸引力的政策和環(huán)境條件，針對(duì)全球集成電路及相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域具有頂尖科研創(chuàng)新能力的戰(zhàn)略性科學(xué)家進(jìn)行重點(diǎn)引進(jìn)和培養(yǎng)，充分發(fā)揮其對(duì)前沿技術(shù)創(chuàng)新規(guī)劃和決策引領(lǐng)能力，加大對(duì)非共識(shí)、變革性技術(shù)領(lǐng)域的支持力度[19]。加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，形成公平競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)秩序，打造法制化的創(chuàng)新環(huán)境，為前沿技術(shù)萌芽提供生長(zhǎng)的土壤。提高北京集成電路產(chǎn)業(yè)科研人才、專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才和管理人才的薪酬福利及社會(huì)保障水平，調(diào)動(dòng)創(chuàng)新人才的積極性，形成有利于前沿技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的政策支持和資本保障。