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《文汇报》:中国晶体管开发取得突破 新生核心技术面临生存挑战
发表时间:2013-08-15 阅读次数:2276次

                                                                               作者:姜澎  来源:《文汇报》2013.8.12  发布时间:2013-08-12

        中国晶体管开发取得突破 复旦大学研制出新型微电子器件——半浮栅晶体管,有望提速CPU

         本报讯 (首席记者姜澎)复旦大学微电子学院副院长、国家02重大专项总体组专家张卫教授领衔的科研团队研制出一种新型的微电子器件——半浮栅晶体管(SFGT),可让数据擦写更容易、速度更快,操作电压更低,为设计低功耗芯片奠定了基础。相关研究成果刊登于8月8日出版的《科学》杂志上。这是我国科学家在该杂志上发表的第一篇微电子器件方面的论文。

        据介绍,张卫教授团队长期从事集成电路工艺和半导体器件的研究。这一成果被业内学者称为将可能改变近年来IT业界所担忧的问题:技术的发展将使摩尔定律达到极限无法再突破。这也被认为是中国微电子产业的一个新机遇,有可能改变目前国内的芯片行业。

        据团队成员王鹏飞教授介绍,金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)是目前集成电路中的主流器件,根据摩尔定律,芯片上的晶体管特征尺寸在不断地缩小,使得芯片上的晶体管数量每隔18个月便会增加一倍。过去几十年工艺的进步让MOSFET晶体管的尺寸不断缩小,越来越接近其物理极限。集成度的增加使得芯片功耗密度太大而面临散热困难。因此,业界一直尝试在材料和电路设计方面有所突破,同时积极寻找基于新结构和新原理的晶体管,突破现有的技术瓶颈。

        半浮栅晶体管的前瞻研究就在这种情况下展开。复旦大学的团队巧妙地把隧穿晶体管(TFET)和浮栅晶体管相结合,构成了一种全新的“半浮栅”结构的器件,称为半浮栅晶体管(SFGT)。这种晶体管的“数据”擦写更加容易、迅速,而且整个过程都可以在低电压条件下完成,为实现芯片低功耗运行创造了条件。

         半浮栅晶体管在CPU的高速缓存(Cache)、DRAM和CMOS图像传感器等领域有很好的应用前景,且优势明显。比如CPU的高速缓存,现在通常采用6个MOS晶体管构成一个存储单元(SRAM),集成度低,占用面积大。在28nm英特尔XeonCPU中约一半的面积被迫交给缓存占用,极大地浪费了资源。如果采用复旦大学发明的半浮栅晶体管设计缓存电路,则单个晶体管即可构成一个存储单元,速度与传统6个MOS晶体管的SRAM存储单元相当,但缓存占用的面积可以缩减为原来的十分之一,且降低了功耗。

        新生核心技术面临生存挑战 如不能尽快实现产业化,将使中国企业白白流失掌握市场话语权的机会

        复旦大学研制的新型微电子器件——半浮栅晶体管(SFGT)如果能够尽快实现产业化,将可能给我国芯片生产企业带来很大的变化,至少改变20%到30%的芯片市场;但如果不能产业化,则将使中国企业白白流失一个掌握市场话语权的机会。当相关论文刊登在最新一期《科学》杂志上后,业界专家不约而同地表达了以上观点。

        成果优秀无关市场话语权

        “我们关注的不仅是技术的创新,更重要的是希望推动我国集成电路产业的发展。”这是张卫教授的话。半浮栅晶体管(SFGT)原型器件最初是在复旦大学的实验室中研制成功,现在,与标准CMOS工艺兼容的SFGT器件也已在国内生产线上成功制造出来。

        “这样的成果显然离产业化更近了一步。”上海集成电路研发中心总裁、华虹集团总工程师赵宇航博士称,这一成果最让人关注的,正是它已经走出实验室,走上生产线。

        尽管如此,SFGT要真正实现产业化,仍有很多的路要走。作为基础核心技术,SFGT必须要有合适的企业开发应用。如果中国企业能抓住这一机遇,很可能就能掌握市场的话语权;反之,就很可能又出现“我们出成果,国外拿技术和专利”的尴尬。

        这样的事情已有先例可循:目前用于太阳能发电储电设备的一个关键器件COOLMOS(超结金属氧化物半导体场效应晶体管)就是我国中国电子科技大学教授、中科院院士陈星弼在30多年前发明并申请专利的。但这一成果迟迟没有国内企业转化。很快,著名半导体企业德国英飞凌公司通过47次引用,在这一专利的周围形成了一个庞大的外围专利网。如今,我国太阳能企业要想使用这一产品或应用技术,都必须向英飞凌公司购买。不久前,陈星弼院士的专利失效。自始至终,中国企业完全没能把握住这个本来可以属于自己的机会。

        科学家们不希望SFGT重蹈覆辙。据了解,张卫教授的团队在半浮栅晶体管相关技术上已申请了10多项专利。如果国内企业不及时合作开发和跟进,很可能在论文发表后被国外大公司率先采用,或国外大公司迅速用延伸专利包围我们的核心专利,最终核心成果将不得不公开。因为如果坚持不公开,企业就无法使用,成果便失去了存在的意义;而如果公开,我国企业便要向国外购买他们所拥有的延伸专利,缴纳不菲的专利费。

         事实上,就在成果发表前一个月,已有一家国际知名集成电路企业的研发人员与张卫教授课题组联系,希望提供资助,并派高级研发人员到张卫团队做访问学者,合作开展集成电路研究。

        产业落后使成果难以转化

        缺少拥有自主创新能力的企业,成为中国成果转化的重大障碍。业内人士担心,SFGT将难逃不得不卖给国外大企业或者是被国外企业的专利包围的境地。

        过去,国外厂商常会以高价将落后一到两代的技术淘汰给中国企业,导致中国制造企业失去自身的创新能力,也在市场竞争中屡遭挫折。“虽然我国的芯片设计和制造企业越来越多,但是集成电路的整体技术比国际领先水平落后两代。希望复旦大学的这一成果能成为我国企业掌握市场话语权的突破口。”上海市集成电路行业协会秘书长蒋守雷说。

        最新统计数据显示,世界前23家集成电路企业的销售额占了世界市场的72.2%,其中除了台湾的三家,其余都是美国、日本、韩国和欧洲的。其中,IDM(即集成器件制造商)企业,比如Intel、AMD和Samsung等,占有约70%的市场份额。这些IDM企业不仅垄断了绝大多数微处理器和存储器的生产,同时在逻辑电路和模拟电路市场中也占有一定份额。中国大陆有700余家企业,其销售额总和仅占世界市场的约10%。在这个市场中,先发企业通过锁定销售渠道、专利壁垒、成本优势等手段控制市场,造成了中国几百家设计企业要在剩余的市场中“抢饭吃”。

         “现在的DRAM生产市场基本上被韩国企业垄断了,中国的企业在芯片设计方面虽然也有一些创新,但始终没有结构性改变。如果张卫教授的这一成果顺利实现产业化并进入市场的话,将会对市场产生很大的影响。”展讯科技的技术总监朱小荣博士告诉记者,“这一晶体管的读写时间只需1—2纳秒,可以说是革命性的变化了。而且不仅能应用在DRAM领域上,还能用于CPU。”

        政府应出台政策优化产业生态

        “其实中国芯片产业缺的不是有设计能力和生产能力的企业,而是好的产业生态体系,不适合成果转化。”一家集成电路设计企业的负责人告诉记者。

         国内有大量芯片设计企业,如华虹电子、中芯国际等,也有大量使用新技术的终端生产商,比如华为、中兴等公司。但在这些上、下游企业之间却没有完整的产业链。因为大多数芯片设计企业承接的多为外包工程,上海年销售额过亿的芯片设计公司已有20家,但他们在研发上投入较少,即便有了新产品,也没有自己的下游客户渠道。即便是中芯国际这样的企业,一季度赢利只属于千万美金级别,着实没有实力做新技术孵化。“长期落后使企业在研发投入上缺少竞争力,而这又会使企业的技术水平‘保持落后’,并形成一个恶性循环。”这位集成电路企业的负责人建言:“在这样的现状下,可以由政府牵头,除了继续支持研究外,还应整合上、下游企业,并通过政策导向来支持企业转化科研成果,加大研发投入。”

        “科研成果实现应用绝不是在高校和科研院所,而应由企业完成。”赵宇航博士认为,政府应该大力支持这一科研成果的完善,从科研立项和后续研发资金上进行支持。同时,整合整个芯片产业上、下游的企业,以企业为主导,政府提供支持政策,比如出台更多的鼓励研发投入的政策,这样才可能使得中国的集成电路企业在拥有突破性技术的时候,不至于错失掌握市场的机会。

        “对于一项原创性新技术,我们还需要不断完善和夯实基础,这需要政府和相关部门的大力支持。产业化的推广更要加强产学研的紧密合作。”张卫教授表示。

 

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