芯片熱潮之下的前瞻思考

雷鋒網按，本文來自湖杉資本公眾號，作者中博智點。

一 、前言

芯片被喻為資訊時代的“發動機”,是各國競相角逐的“國之重器”,是一個國家高端製造能力的綜合體現。

雖然我國有著全球最大的半導體市場,並且已成為繼美國之後的全球第二大集成電路設計重鎮,但目前集成電路的主流產品仍然主要集中在中低端，除了移動通信終端和網絡設備的部分集成電路產品佔有率超過10%外,高端芯片的佔有率幾乎為零。

鑒於種種原因和風起雲湧的國際形勢，今年上半年我國電子企業普遍加快了微電子、集成電路等產品研發，投資增長了43.6%。集成電路產業正在成為各大城市的共同選擇,各地方政府、集成電路企業、資本、高校和研究中心都在準備充分發揮區域協同創新能力,共同打造地區集成電路“芯”高地。

我國集成電路首次大規模投資熱潮發生在上世紀80到90年代，具有代表性的有當時的“531戰略”、“908工程”（無錫華晶）和“909工程”（上海華虹NEC）。這些工程儘管當時在很大程度上改善了我國集成電路的生產工藝條件，但是，行業的整體競爭力並沒有多大的提升，主要因為一方面技術缺乏前瞻性，一些工藝線剛投產即落後，另一方面隻注重引進工藝生產線，缺乏整體布局和對基礎技術研發的重視。

第二波“芯片熱”爆發在本世紀初，由於中國市場自身的需求以及政府的扶持，當時集成電路成為了所謂的風口，大量資金湧入，充滿了各種躁動。2003年前後中國集成電路行業有代表性的企業有杭州士蘭微、上海貝嶺、華虹NEC、北京的中星微電子和大唐微電子等。2005年，憑借攝影頭芯片業務，中星微電子登陸納斯達克，成為國內第一個登陸納斯達克的芯片企業。直到2006年陳進的“漢芯事件”曝光，這波芯片熱潮才慢慢退去。

從2006年到現在，我國集成電路科技創新主要由“核高基”和“大基金”主導。“核高基”是“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟體產品”專項的簡稱。2006年，國務院頒布了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006－2020年）》，將“核高基”列為16個科技重大專項之首，與載人航天、探月工程等並列。“大基金”是成立於2014年的國家集成電路產業投資基金，專為促進集成電路產業的發展而設立。目前，這兩股力量仍側重於“填補空白、補齊短板”，主要成果有用於神威超級電腦的申威CPU和用於北斗衛星的龍芯處理器。

總的來說，我國近幾十年來在集成電路上有過不少努力，也出現過幾次熱潮，但基本上是“戰術上的勤奮”，缺少前瞻性思維和戰略視野。因此，總逃不出一個“落後-追趕-再落後”循環的怪圈。要知道，戰術上的勤奮永遠彌補不了戰略上的缺失和懶惰。當前,我們必須清醒地認識到,隨著摩爾定律的放緩(摩爾定律預計在2021-2025年走向終結),進一步減小芯片線寬難度越來越大。目前的解決方案是通過光學信號處理(光子計算和光子芯片)和AI突破摩爾定律的限制,這也必將帶來芯片技術發展的新形勢和新機遇。因此,在世界新一輪科技革命同我國轉變發展方式的歷史性交匯點, 科技創新角逐空前激烈時期，我們任何戰略誤判都有可能帶來災難性的後果。

集成電路領域作為我國技術創新的高地,在未來的規劃上,應有更高的戰略視野和更前瞻的謀劃。以“超前布局為主,補足關鍵短板為輔”為原則,明確將“光子+AI”作為未來芯片發展的戰略方向。努力實現關鍵核心技術自主可控，抓住千載難逢的歷史機遇,有力支撐世界科技強國建設。讓新型芯片技術真正發揮創新引領發展的第一動力作用,這樣才能站上世界科技競爭和未來發展的戰略制高點。

二、在傳統芯片領域,堅持有所為和有所不為

在傳統芯片領域,門檻最高的是RRU基地台設備相關的中/射頻芯片和DSP/FPGA芯片、高速相乾光通信芯片以及高端伺服器處理器芯片。這些領域要想實現國產替代,需要較長時間和更多的投入,因此,傳統芯片應重點放在這四個領域。手機產業等相關的中低端芯片門檻相對較低,一些細分領域的國產芯片甚至已經成為國際龍頭,這些領域可由企業根據自身利益通過市場來解決。

(1) RRU基地台設備相關的中/射頻芯片和DSP/FPGA芯片

基地台芯片的成熟度和高可靠性要求與消費級芯片不可同日而語,從開始試用到批量使用起碼需要兩年以上的時間,呈現技術更迭快、門檻高和自給率低的特點。目前,中興和華為在基帶芯片上基本達到自給,都有自主研發的基帶芯片。但是在中/射頻領域,主要由TI、ADI、Qorvo和IDT等歐美廠商壟斷。同時,TI和ADI都在加速研發多通道、高集成的單芯片解決方案,以滿足5G大規模天線基地台的要求,如TI的AFE75XX系列和ADI的AD93XX系列等。在這個領域,國產芯片廠商才剛剛起步,如南京美辰微電子通過前期參與國家重大專項《基於SiP RF技術的TD-LTE/TD-LTE-Advanced/TD-SCDMA基地台射頻單元的研發》,獲得了較大的技術提升,在正交調製器、混頻器、VGA、鎖相環、DPD接收機和ADC/DAC等芯片產品方面已有可量產的方案。後續可通過定點扶持實現該領域產業能力的進一步提升。

此外,高性能DSP/FPGA芯片基本上由TI和 Xilinx壟斷。尤其Xilinx最近推出的高集成RFSoC芯片,融合了多通道的DAC/ADC和高端FPGA,無論在軟體定義無線電(SDR)系統還是在軟體定義光學網絡(SDO)上都具有很大的優勢。在這方面,目前國內基本無對標產品,後續需要重點扶持和加大投入。

(2) 高速相乾光通信設備相關的芯片

光通信模塊主要採用的芯片有TA(跨阻放大器)、APD(雪崩光二極管)、LA( Limiting Amplifier)、雷射器芯片( VCSEL、DFB和EML)、lCT/ICR(集成相乾發射機/集成相乾接收機)和DWDM等。目前低於40Gbps以下的非相乾光通信芯片和模塊自給率尚可,但是100Gbps以上的高端芯片,尤其高速ICT/ICR(集成相乾發射機/集成相乾接收機)芯片仍需突破。高速ICT/ICR芯片目前主要有歐美日公司,如Infinera、Fujitsu、Finisar、Acacia、NeoPhotonics、0claro和Elenion等。國內光迅科技和初創公司SiFotonics開始提供100Gbps-QPSK集成相乾接收機芯片和解決方案,芯耘光電公司預計也在2019年完成100Gbps芯片方案研發。同樣,後續可通過定點扶持實現該領域產業能力的進一步提升。

(3) 高端伺服器處理器芯片

目前,lntel在高端伺服器處理器芯片的市場佔有率已經高達99%,其X86架構加上微軟的軟體生態,已經處於絕對壟斷的地位。但是,近年在雲計算、大數據和人工智能推動下,伺服器市場需求強勁。全球又掀起了一股高端伺服器處理器芯片競爭熱潮,這其中主要有AMD最新的Zen處理器芯片和ARM引領的精簡指令集架構。Zen架構的“突破性性能”可以匹敵英特爾速度最快的10納米Broadwell-E處理器,其產品系列包括基於Zen架構的8核(16線程）的Summit Ridge台式機處理器芯片以及32核(64線程)的Naples伺服器處理器芯片。ARM伺服器芯片生態鏈上的企業則主要有Marvell(收購Cavium獲得的ARM伺服器芯片業務)、Ampere和中國的華芯通等。其中, Ampere為了構建軟體生態系統,在工具端、B0S/BMC和作業系統上積極與Java等領先廠商合作開發,旨在幫助客戶解決遷移到雲端的問題。我國的貴州華芯通半導體技術有限公司也於今年正式發布其ARM架構的48核的伺服器芯片-昇龍(StarDragon)。昇龍處理器嵌入了符合中國“商用密碼算法”標準的自主硏發的密碼模塊及軟體解決方案。

由於 Wintel生態過於強大,考慮到運行在雲端的軟體無須傳承於任何傳統企業,我們在高端伺服器芯片上的突破應該從ARM、雲計算和 Linux生態入手,以保證足夠的設計、創新和提升太空。

三、把發展下一代光子集成芯片(PIC)作為重中之重

2010年以來,光子集成技術進入了高速發展時期,國際上圍繞光子集成技術部署了許多重大的研究計劃,投入了大量的人力物力進行高端光子集成芯片的研發。歐盟在“Horizon2020”計劃更是集中部署了光子集成研究項目,旨在實現基於半導體材料或二維晶體材料的光電混合集成芯片。2014年10月美國總統奧巴馬宣布光子集成技術國家戰略,聯邦政府結合社會資本投入6.5億美元打造光子集成芯片研發製備平台。2015年,美國建立了“國家光子計劃”產業聯盟,明確將支持發展光子基礎研究與早期應用研究計劃開發,支持4大研究領域及3個應用能力技術開發,並提出了每一項可開發領域的機會和目標。

除了上述的高速集成相乾光發射機和接收機，光子集成芯片技術還有兩個更重要的分支:一是集成微波光子(IMWP)芯片,主要應用於軍事和民用無線電系統,如意大利的 PHODIR(基於光子學的全數字雷達)、俄羅斯的基於微波光子學的有源相控陣雷達系統 ROFAR、歐洲的GAA(下一代SAR的光子前端)和 HAMLET計劃等;二是數字光子芯片,如光學DSP、光子計算芯片和光子AI芯片等。

總體來講,我國光子集成技術還處於起步階段,製約我國光子集成技術發展的突出問題包括學科和研究碎片化,人才匱乏,缺乏系統架構研究與設計,工藝設備的研發實力薄弱,缺乏標準化和規範化的光子集成技術工藝平台,以及芯片封裝和測試分析技術落後等。幸運的是,該領域尚未形成壟斷和巨頭,如果超前布局,精心組織和重點投入,我們仍有趕超的機會和時間窗。

(1) 集成微波光子(IMWP)芯片

無線技術平台經過數十年從數字無線電到軟體無線電的演進,目前下一代無線技術平台正在呼之欲出。未來全球電信網絡以及雷達、通信和航天工業中新興的大規模應用都將需要全新的技術來解決當前電子技術對於大容量和超寬頻連接的限制。鑒於集成微波光子芯片具有更高的精度、更大的帶寬、更強的靈活性和抗干擾能力,因此被認為是具有競爭力的下一代無線技術平台。俄羅斯甚至稱有可能徹底放棄微波電子學,轉而專攻微波光子學。目前在俄羅斯大約有850家公司參與微波光子學的研究和開發。此外,歐盟也正聯合開發新型全光子28GHz毫米波mMIMO收發信機芯片,並將於2018年底推出第一個版本。參與該研發計劃的公司和研究機構有LioniX、Solvates、SATRAX、Linkra、Fraunhofer HHI和NTU的ICCS,並通過異構集成,結合了PolyBoard和TriPleX兩個工藝平台的優勢。

在集成微波光子芯片領域,我國仍處於基礎研究階段,不久前剛結束的國家973計劃項目“面向寬頻泛在接入的微波光子器件與集成系統基礎研究”重點針對微波光子相互作用下的高帶寬轉換機理、高精細調控方法和高靈活協同機制等3個科學問題,在微波光子作用機理、關鍵器件與原型系統方面取得了重要突破,為未來發展提供了相應的理論與技術支撐。項目團隊研製了覆蓋L/S/Ku/Ka波段的靈活可變的微波光子柔性衛星轉發器樣機,以及構建了分布式大動態可協同的智能光載無線(I-RoF)原型系統與研究平台。該項目所取得的“寬頻集成、穩相傳輸和多頻重構”等創新成果在嫦娥三號Ⅹ波段信標信號采集、北斗導航高軌衛星的軌道監測和微波光子柔性衛星轉發器等國家重大工程中得到驗證和技術應用。

集成微波光子芯片主要在光學域上實現射頻信號的處理,其功能可以覆蓋無線系統的整個射頻信號鏈,包括濾波、IQ調製、UC/DC(上轉換/下轉換)、頻率合成器、AWG(任意波形生成)和光子ADC/光子DAC等。隨著集成相乾光學、集成微波光子學、超大規模光子集成電路、光學頻率梳、光子ADC和光子數字信號處理技術的發展,集成微波光子芯片甚至可以發展到大規模ASPIC或PSoC(光子專用集成電路),並可能在未來5-10年內顛覆整個RF技術生態,使真正的光子定義無線電( Photonics Defined Radio, PDR)系統成為可能。

在規劃和發展路徑上,我們可以首先面向國防、航天、5G/B5G和6G移動通信的需求,從單片或單功能集成開始,提升設計和工藝水準,逐步發展大規模集成微波光子芯片。

(2) 高性能光子計算芯片和光子AI芯片

光子計算被認為是突破摩爾定律的有效途徑之一,且更適合線性計算。光子器件的開關速度比電子器件更快,而且光波具有不同的波長、頻率、偏振態和相位資訊,可以用來代表不同的數據,因而光子計算具有內稟的高維度的並行計算特性。光子計算超強的線性計算能力有望成為未來高性能計算的“聖杯”。

2016年MIT提出了使用光子代替電子作為計算芯片架構的理論,並稱之為可程式設計納米光子處理器。美國的艾克塞特大學、牛津大學和明斯特大學三所高校正在聯合研發光子計算芯片。科羅拉多大學的科研人員日前已研製成功世界上第一款以光子處理和傳輸資訊的微處理器芯片。

英國0ptalysys公司於2017年發布了第一代高性能桌面超級光子電腦(最高可達到9Pfps的處理速度),其光子處理器採用PCI擴展卡與普通電腦進行通訊(PCI擴展卡是用於更新圖形處理器或伺服器的標準組件)。同時,0ptalysys公司還承擔了一個五角大樓的研究項目-超級電腦的桌面化技術,以及一個歐洲的項目-提高氣象仿真能力。Optalysys計劃在2020年之前推出Efps級別的更高性能的系統。

除了傳統的高性能計算外,光子芯片也將是未來AI計算的硬體架構,可能徹底淘汰現在的GPU,並且是未來量子計算的候選方案之一。

過去十年中,在構建光子計算芯片的基礎研究和基礎工藝方面的投資開始得到回報。2016年,美國普林斯頓大學研製了全世界第一個光子神經形態芯片。該芯片擁有超快的計算能力,並利用光子解決了神經網絡電路速度受限的難題,開辟了光子計算的新篇章。2017年,英國牛津大學的研究人員使用特殊的相變材料與集成光子技術開發出一種光子芯片,可形成與人腦相似的“光子突觸”,其運行速度比人腦神經突觸快1000倍。法國初創公司 Light0n成功開發了利用雷射處理數據的系統。該公司的目標是,在機器學習中通過將資訊與隨機數據相乘的方式壓縮數據。不同的是,Light0n的系統利用了光通過半透明材料時發生的隨機散射效應,能更容易地獲得相同的效果。

Lightelligence公司計劃於2019年第一季度推出光子計算芯片產品。 Lightmatter公司也正在用光子技術來増強電子電腦的性能,從根本上推出足夠強大的全新計算芯片,以促進下一代人工智能的發展。

我國在該領域的研究和產業化基本還是空白,理應積極布局,統籌規劃,否則在未來的光子資訊時代,我們將又一次飽嘗“缺芯缺腦”之痛。

(3) 加強光子集成相關的基礎研究和人才培養

正如前面所述,我國光子集成技術發展面臨學科和研究碎片化、人才匱乏、缺乏系統架構研究與設計等問題。我國有關光子學的研究機構眾多,專業繁雜,有武漢光電國家實驗室、集成光電子學國家重點聯合實驗室、北京郵電大學資訊光子學與光通信國家重點實驗室、上海交通大學光子集成與量子資訊實驗室、南京大學微波光子技術研究中心、東南大學先進光子學中心、南京航空航天大學微波光子學實驗室、中國科學技術大學量子材料與光子技術實驗室、浙江大學光子材料與器件實驗室、廈門大學半導體光子學研究中心、中科院上海微系統與資訊技術研究所資訊功能材料國家重點實驗室、中山大學光電材料與技術國家重點實驗室以及各學校的光電科學與工程學系。因此,建議對標“微電子學”建立“微光子學”二級學科,規範和加強光子集成技術的人才培養。同時引導各研究機構分工協作,在自己的優勢領域重點突破,從而最終形成整體突破。

(4) 優化光子集成產業生態,構建長效戰略合作機制

加強光子集成技術製造裝備研發,建立光子集成芯片開放性的工藝加工平台,為高端光子集成芯片研發和生產提供技術支撐和服務。建立光子集成設計和製備技術標準化體系,增強整個產業的國際話語權。鼓勵建立光子集成產業協作聯盟,整合產業中分散的研發力量,完善創新體系與產業生態環境。

張江光子國家實驗室牽頭承擔的矽光子重大專項已經取得突破,具備了光子集成芯片的製造能力。預計今年年內,我國第一條矽光子研發中試線將在滬建成。後續可結合PolyBoard和TriPleX兩個工藝平台的優勢拓展成一個異構平台,未來作為地區甚至國家級光子集成芯片開放性的工藝平台。

(5) 加強國際合作,努力實現我國光子集成技術的跨越式發展

我國在光子集成技術領域與歐美日俄尚有一定的差距,我們要充分利用荷蘭、意大利、西班牙、德國、比利時、俄羅斯和日本等歐亞國家在光子集成芯片等高端技術的優勢,加強交流與合作,迅速提升光子集成技術方面的研發能力。同時,把張江光子國家實驗室建成光子集成技術的國際交流平台。此外,加大光子集成產業核心人才引進力度,繼續推動頒布針對相關人才回國就業和創業的支持政策。引導和鼓勵資本適當地進行必要的合資和並購,快速提升我國光子集成的自主產業能力。

四、爭取在AI芯片新型架構創新上取得突破

今年以來,AI芯片初創公司呈現爆炸式增長,各種AI芯片xPU如雨後春筍,已經達數十家之多。當前無論基於多核CPU、GPU、還是FPGA架構的AI芯片本質上都不是真正的AI芯片,實際上是用現有的、相對成熟的架構和技術去應對全新的人工智能,並沒有革命性的技術突破。它們往往無法滿足AI的需求,也預示著目前許多所謂的xPU最終將是曇花一現。

通常CPU和GPU被設計成用來運行完整的程式,不是數據驅動的。而機器學習與CPU和GPU處理完全不同,是不斷訓練程式使用數據的過程,然後在不進行明確編程的情況下進行推理,需要完全不同類型的處理器。AI芯片需要循環使用訓練數據,必須擅長處理數據之間的連接關係,比如可以用圖形表示數據之間的相關性和其他關係。可以說,AI的神經網絡的總體目標是創造大而複雜的連接關係網絡,這個網絡不僅可以是稀疏的、多層級的,而且可以彼此循環、學習和改進。所以,AI芯片是“連接-存儲-計算”的範式,而傳統 CPU/GPU是馮諾依曼結構,即“計算-存儲-連接”的範式。從這個意義上來說,範式轉變和架構創新是未來AI芯片取得突破和成功的關鍵。

第一類創新架構的方向是計算和存儲一體化(processing-in-memory),即在分布式存儲單元裡面加上計算的功能。其中,具有代表性的是英國Graphcore公司的人工智能芯片IPU(Intelligence Processing Unit)。IPU採用16nm工藝,大規模多核陣列(大於1000個核)架構,每個核都有一個存儲單元(沒有外接共享存儲,是完全芯片內分布式存儲),同時支持訓練和推理。最近,美國的SRC啟動了一個1.5億美金的5年研究計劃JUMP,其中一個方向也是Intelligent memory and storage。

第二類創新架構的方向是類腦芯片,典型的有IBM公司的類腦芯片TrueNorth、英特爾的自我學習芯片Loihi和高通的Zeroth芯片等。國內最近幾年在類腦芯片研發上也不甘示弱,上海西井科技這樣的初創公同也在進行類腦芯片的研發,清華等知名高校則紛紛建立類腦研究中心,浙大甚至推出自己的“達爾文”類腦芯片。相比於傳統芯片,類腦芯片的確在功耗上具有絕對優勢,拿英特爾的Loihi來說,不僅其學習效率比其他智能芯片高100萬倍,而且在完成同一個任務所消耗的能源比傳統芯片節省近1000倍。

第三類創新架構的方向是前面所說的“光子神經網絡”,光子芯片或將是未來AI計算的硬體架構。

芯片架構就如同軟體的作業系統,一種架構一旦成為主流,其它架構就很難有成功的機會。傳統高端處理器芯片架構是lntel的x86、AMD的K6、ARM的Advanced-RISC和GPU四足鼎立。AI芯片架構也初現端倪,未來我們能否有一席之地,關鍵還看我們的謀劃能力和創新力度。正如RISC先驅David Patterson所說，現在是處理器芯片架構創新的黃金時代。我國作為AI芯片架構領域的重要研發基地,有上海西井科技、浙大的類腦芯片和清華、南京大學等的基礎研究,理應走在AI芯片架構創新的前列。

五、加強其它前沿芯片技術的研究

除了上述比較明確的技術和產業趨勢,下面幾個關鍵技術其中任何一個取得突破都會對未來的集成電路技術產生顛覆性的影響,因此這些都需要我們加強研究和緊密跟蹤。

（1）碳納米管晶體管及芯片技術

碳納米管(CNT)是碳原子的管狀結構。這些管狀結構可以是單壁(SWNT)或多壁(MWNT)的,直徑一般在幾納米的範圍內。它們的電特性根據其分子結構而變化,介於金屬和半導體之間。碳納米管場效應晶體管( CNTFET)由兩個通過CNT連接的金屬觸點組成。這些觸點是晶體管的漏極和源極,柵極位於CNT的旁邊或周圍,並通過一層氧化矽分離。

基於納米管的RAM是由Nantero公司開發的非易失性隨機存取記憶體的專有記憶體技術(該公司也將此記憶體稱為NRAM)。理論上,NRAM可以達到DRAM的密度,同時提供類似於SRAM的性能。該領域未來最有希望應用於高性能電腦(HPC)的是碳納米管場效應晶體管(CNTFET)、基於納米管的RAM(或Nano-RAM)以及芯片冷卻的改進等。CNT是非常好的導熱體,因此,可以顯著改善CPU芯片的散熱。

（2）石墨烯晶體管及芯片技術

石墨烯是一種厚度為單一原子的二維結構的材料。石墨烯實現在半導體村底上生長被認為是一個重要的走向實用的裡程碑。2010年,IBM研究人員展示了一種截止頻率為100GHz的射頻石墨烯晶體管。這是迄今為止石墨烯器件達到的最高頻率。2014年, IBM Research的工程師開發出世界上最先進的石墨烯芯片,其性能比以前的石墨烯芯片高出10000倍。

除了用於製備RF器件,由於石墨烯製造方法實際上與標準矽CM0S工藝兼容,並且具有出色的導熱和導電能力,因此未來有可能實現商用石墨烯電腦芯片。

(3) 金剛石晶體管及芯片技術

金剛石的加工方式可以和半導體類似,因此可以用來製備基於金剛石的晶體管。東京工業大學的研究人員製備了具有橫向p-n結的金剛石結型場效應晶體管(JFET)。該器件具有優異的物理性能,如5.47eV的寬頻隙,10MV/cm的高擊穿電場(比4H-Si0和GaN高3-4倍),以及20W/mK的高導熱率(比4H-Si0和GaN高4-10倍)。目前製造的金剛石晶體管的柵極長度在幾個微米範圍內,與當前22nm技術相比仍偏大。為了實現高速工作的芯片(傳播延遲的限制),未來需要進一步減小柵極尺寸。

金剛石的高導熱性比傳統半導體材料高幾個數量級,可以更快地散熱,能解決3D芯片堆疊模塊的溫度問題,這樣,預計基於金剛石的芯片能耗更低和高溫工作能力更強。

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