中国科学院院士、上海市集成电路行业协会名誉会长 邹世昌

　　
　　摘要：本文在分析半导体器件创新、工艺创新和产品创新对集成电路产业发展的推动作用的基础上，提出当前集成电路技术发展正处于战略转折期，紧紧抓住这个机遇，合理布局，积极创新，有利于实现我国集成电路产业跨越式的发展。
　　
　　集成电路产业被誉为当代技术创新最多、技术更新最快的产业。虽然集成电路产业发展离不开应用市场的外力驱动，但是集成电路技术的每一项创新，无论是器件创新、工艺创新、还是产品创新，始终是推动集成电路产业发展的内在动力。
　　
　　一、从“半导体技术创新年代表”说起
　　
　　从世界第一枚锗点接触三极管发明至今已有60余年的历史。在这60多年中，新的半导体器件不断诞生，新的工艺技术层出不穷，新的半导体产品大量涌现，这些技术创新成果就像无数的江河湖水倾注于集成电路产业的浩瀚大海，形成了一波又一波的集成电路产业发展浪潮。
　　
　　首先，我们将1947年至2011年半导体及集成电路领域的主要发明创新列成一张“半导体技术创新年代表”（如表1）。然后，我们可以从中看到：
　　
　　表1半导体技术创新年代表
　　
　　 

年份	器件创新	工艺创新	产品创新
1947	*锗点接触三极管
1949	锗合金晶体管	锗合金工艺
1953	锗合金扩散晶体管	锗、硅扩散工艺
1954	硅晶体管 太阳能电池
1956	*隧道效应二极管
1957	硅可控整流器（SCR）
1958	*集成电路（IC）
1959		硅平面工艺
1960			第一块实用化集成电路
1961	MOS场效应晶体管		TTL集成电路 小规模集成电路（SSI）
1962	光电二极管（LED）
1963	MOS集成电路
1964			中规模集成电路（MSI）
1965	砷化镓台面场效应晶体管
1967	动态随机存储器（DRAM）
1969	*电荷耦合器件（CCD） 电可擦写固定存储器（EEPROM）	3英寸硅片	大规模集成电路（LSI）
1970	静电感应晶体管（SIT）
1971		8-10微米工艺	4位微处理器（i4004） 1kb动态存储器（1kb DRAM）
1973		6微米工艺	8080CPU 4kb DRAM
1978		4英寸硅片、4微米工艺
1980		3微米工艺	64kb DRAM
1983		1.5微米工艺	256kb DRAM 80286 CPU
1986		6英寸硅片、1.2微米工艺	80386 CPU
1987	快闪存储器（Flash） 有机发光二级管（OLED）
1989		0.8微米工艺	4Mb DRAM 80486 CPU
1993	CMOS图像传感器（CIS）	0.5微米工艺	16Mb DRAM Pentium
1994		8英寸硅片	超大规模集成电路（VLSI）
1995		0.35微米工艺	PentiumⅡ
1997	兰光光电二极管 兰光激光器	0.25微米工艺
1998	PCRAM	铜（Cu）互连工艺	PentiumⅢ
1999		0.13微米工艺	256Mb DRAM
2000		12英寸硅片	极大规模集成电路（ULSI）
2001		0.11微米工艺
2003		90纳米工艺	2Gb NAND Flash
2004	*石墨烯（Graphone）		DDR DRAM
2005		65纳米工艺	DDR2 DRAM
2006			双核CPU 8Gb NAND Flash
2007		45纳米工艺 高k介质金属栅结构（HK/MG）	16Gb NAND Flash
2008	三维MOS晶体管（FinFET）		四核CPU 2Gb 移动 DRAM 32Gb NAND Flash
2009		32纳米工艺	八核CPU DDR3 DRAM
2010		28纳米工艺	APU（CPU+GPU）
2011		22纳米工艺	酷睿i3、i5、i7

　　
　　*注：锗点接触晶体管、隧道效应二极管（FED）、集成电路（IC）、电荷耦合器件（CCD）和石墨烯（Graphene）是迄今为止在半导体领域内获得诺贝尔物理奖的五项重大发明。
　　
　　（一）半导体器件的发明大都集中于上世代七十年代以前，每一种半导体效应的发现都孕育了该类半导体器件的发明
　　
　　这时期的主要发明有：晶体管、集成电路（IC）、太阳能电池（solarcell）、光电二极管（LED）、硅可控整流器（SCR）和电荷耦合器件（CCD）等。其中，晶体管的发明迎来了上世纪50-60年代晶体管的“黄金时代”。也为集成电路发明吹响了前奏曲。集成电路的发明是半导体领域的最大创新成就，集成电路的发明和发展不仅使其成为当代半导体领域的主角，而且也极大改变了近代电子信息产业的发展进程。太阳能电池和光电二极管虽然发明很早，但正如法国经济学家诺尔曼•泊尔（NormanPoire）所说，“一个新技术的出现平均要经过28年的发展才能成熟，然后进入高速发展时期”，因而直至上世纪80年代以后才分别兴起了光伏产业（PV）和半导体显示产业。以后，光电二极管又和1987年发明的有机发光二级管（OLED）以及1997年发明的蓝光光电二极管结合，共同掀起了半导体照明产业的发展高潮。
　　
　　这些新兴的半导体产业，造就了丰富多彩“泛半导体技术”和“泛半导体产业”。
　　
　　（二）纵观半导体工艺技术的创新历程，缩小特征尺寸和增长硅片直径是推动集成电路技术进步的两大要素
　　
　　特征尺寸有规律的不断缩小是摩尔定律的物理基础。集成电路集成度的不断增加，使许多复杂功能的芯片成为现实，从而创造了集成电路产品的一代又一代的“奇迹”。硅片直径的每次增大，既推动了集成电路生产规模的扩大，同时又使同样芯片的生产成本降低30%，为集成电路产业发展创造了自身的经济支持。
　　
　　工艺技术的快速提升造就了晶圆代工业的迅速兴起。近年来由于建设晶圆生产线投资呈指数式增加，又使许多IDM公司采用轻制造（Fablite）的经营策略，进一步推动晶圆代工业的发展。
　　
　　从产业发展数据来看，2006-2011年的6年间，全球晶圆代工业的年均增长率为11.4%，是同期全球集成电路产业年均增长率（5.6%）的两倍。（数据摘自《2012年上海集成电路产业发展研究报告》）。
　　
　　（三）产品创新是集成电路创新的集中体现
　　
　　集成电路重大产品的不断涌现，不仅引发了电子信息产业的飞跃，同时也推动集成电路产业一波又一波发展高潮，其中有两次产品创新更为引人注目：
　　
　　1．CPU/DRAM与PC发展浪潮
　　
　　1971年i4004（4位CPU）和1kbDRAM的问世为微处理机诞生提供了硬件基础。在此基础上，1980年IBM推出了世界第1台PC，开创了PC时代。在以后的30年中，一代CPU和一代DRAM造就了一代PC，推动了集成电路产业不断成长、PC产业的繁荣和互联网的发展。。
　　
　　2．APU/NANDFlash与移动互联网发展浪潮
　　
　　进入21世纪后，随着移动通信、互联网和数字技术的迅猛发展，应用处理器APU（CPU与图象处理器GPU的结合和简化）和大容量非易失性存储器NANDFlash应运而生，为移动互联网技术发展和各类移动智能终端的出现作好准备。iPad、智能手机、智能电视等智能终端普及到家家户户，创造了“后PC时代”更加繁荣的局面。
　　
　　同样，集成电路产品创新推动了设计业的发展，目前设计业已成为集成电路产业中规模最大、最具活力的先导性产业。2006-2011年6年间世界集成电路设计业的年均增长率为12.1%，是同期世界集成电路产业增长率的2倍以上。即使在2008年-2009年全球金融危机时期，世界集成电路设计业仍保持1.3%-2.4%的正增长。
　　
　　二、目前及今后几年集成电路技术创新的基本趋势
　　
　　尽管近年来世界集成电路市场呈现大幅度波动，但激烈的市场竞争反而加速了集成电路技术创新的步伐。当前，集成电路技术创新又进入了一个关键转折时期，这在客观上为我国集成电路产业发展提供了前所未有的战略机遇期。
　　
　　（一）器件创新可能引发集成电路技术根本性的变化
　　
　　当前“基于近平衡态物理的半导体产业已经成熟，半导体产业技术逼近极限，摩尔定律将趋失效”（摩尔本人语，引自《电子与封装》总第28期，2005年8月）。尽管目前依赖于特征尺寸不断缩小的硅基CMOS技术发展遇到越来越多的挑战，但不依赖于特征尺寸的器件创新此起彼伏。特别是MEMS器件和系统级封装技术（SIP）的发展促使集成电路的“集成”涵义更为广泛。
　　
　　2004年石墨烯的发现，对于下一代工作速度更快、更大规模、成本更低、功耗更小的集成电路提供了最可能的路径。虽然目前利用石墨烯制备FET（场效应晶体管）还有许多困难，但从石墨烯固有的卓越本征电子属性以及近年来对石墨烯FET开发的进展程度来看，碳基集成电路可能会成为一个重要的发展趋势。
　　
　　（二）工艺创新继续深化
　　
　　与以往相比，当前硅基CMOS技术面临着许多前所未有的重大挑战。从22/20nm向16/14nm，甚至更小特征尺寸的过渡时，平面MOSFET将被立体的FinFET所替代。为加工更细的线宽，EUV（极紫外）光刻技术或电子束光刻技术可能替代目前的193nm浸没式光刻技术。从经济生产规模出发，采用18英寸（450nm）晶圆和建设单片晶圆全自动生产线已是定论。可以想象到16/14nm及以下特征尺寸时，集成电路芯片工艺又将进入一个相对全新的时代。
　　
　　（三）产品创新方兴未艾
　　
　　产品创新是推动集成电路产业发展的永恒动力。即使摩尔定律趋于失效，但产品创新仍是引领集成电路产业维持高速发展的主导因素。目前世界集成电路产品在经历了Tr（晶体管）、ASSP（标准通用产品）、MPU（微处理器）、ASIC（专用IC）、FPGA（现场可编程门阵列）、SoC（系统级芯片）的产品特征循环周期，目前正在向U-SoC（超系统级芯片）过渡。新一代信息技术的每一个需求都可能激发集成电路新一代产品的诞生。
　　
　　结论
　　
　　技术创新是推动集成电路产业发展的不竭动力，当前世界集成电路技术发展正处于重要的关键转折期，我国集成电路产业应紧紧抓住当前有利时机，合理规划，积极创新，实现跨越式的发展，最终实现把我国集成电路产业做大做强的宏伟目标。

　　
　　王龙兴执笔