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“芯”基建-23:IEDMs和CESs:根,深扎在地下;叶,繁茂在枝头 精选

已有 6169 次阅读 2021-2-10 22:44 |系统分类:科普集锦

汪炼成 2021/02/10

“根,紧握在地下;叶,相触在云里……仿佛永远分离,却又终身相依。”

                                                                                                                                   ——《致橡树》 舒婷 

IEDM, ISSCC, VLSI等和CES等则如同电子信息产业大树的根和叶,前者深耕技术,无声滋补后者每一次更新换代所需的养分,而后者每一代更新对更高速度计算、更高精度显示、更高密度存储等更高需求都逆向传递激励着前者在制程、器件、系统和材料方面的前沿研发和技术推进。没有前者,后者是无根之木,无源之水,无从谈起;而没有后者,前者则可能沦为纸上谈兵,望梅止渴,无从施展和落地。正所谓“根,深扎在地下;叶,繁茂在枝头”,“仿佛表面分离,实际紧密相依”。                                            ——汪炼成

 

 

一、IEDM, ISSCC, VLSI和CES

        在集成电路和半导体领域有很多不错的国际顶级会议,最有名的则是IEDM(国际电子器件会议), ISSCC(国际固态电路会议)和VLSI(超大规模集成电路研讨会)。IEDM与ISSCC, VLSI并称集成电路领域的“奥林匹克盛会”。IEDMISSCC分别始于1954年,1953年,VLSI稍晚点,始于于1981年。参考威廉.肖克利发明半导体晶体管(1946年),Robert Noyce和Jack Kilby发明集成电路的时间(1956年),这些会议不可谓不源远流长,几乎从头开始一路伴随集成电路和半导体产业的发展。

         同时在消费电子领域也有重要影响力展览会,最富盛名的当属CES(国际消费类电子产品展览会,International Consumer Electronics Show),号称科技产品的“风向标”,各大品牌厂商的“秀场”。CES从1967年就开始举办,1978年之后便每年开始在美国的赌城拉斯维加斯举行。很多发明,包括录音录像机(如1970年索尼 U-Matic VCR录像机)、磁带、数码相机、VCD(如1974年,激光碟片)、电子表等消费电子产品,甚至很多经典游戏,如俄罗斯方块、贪吃蛇等在大规模进入市场前,都首先在CES上亮过相。比尔盖茨在任时是CES的常客,每年都在Keynote环节发表激情澎湃的演讲。今年Keynote演讲嘉宾则有AMD炙手可热的Dr. Lisa Su,人称“苏妈”。

         CES的展览历史,一定程度上呈现了消费电子产品从视觉、个人电子、网络娱乐到现在人工智能、机器人等发展的历史。而现在产品从CES展览的“王谢堂前”到飞入寻常百姓家的时间间隔则越来越短,节奏越来快了。

           其他还有MWC(世界移动通信大会,Mobile World Congress),是一年一度全球最具影响力的移动通信领域的展览会。还有其他很多地域性综合或行业性展会。当然很多大品牌公司不满足于在CES或MWC与其他公司同台共舞,共享“镁光”,选择实力单飞开秀,如苹果的经典产品发布会。

        “根,紧握在地下;叶,相触在云里”,“仿佛永远分离,却又终身相依”。诗人舒婷希望爱情像木棉树和橡树一样,根紧握,叶相触,一起分担和共享。而上述IEDM, ISSCC, VLSI和CES则如同电子信息产业大树的根和叶,前者深耕技术,无声滋补后者每一次更新换代所需的养分,而后者每一代更新对更高速度计算、更高精度显示、更高密度存储等更高的需求都逆向传递激励着前者在制程、器件、系统和材料方面的前沿研发和技术推进。没有前者,后者是无根之木,无源之水,无从谈起;而没有后者,前者则可能沦为纸上谈兵,望梅止渴,无从施展和落地。

   正所谓“根,深扎在地下;叶,繁茂在枝头”,“仿佛表面分离,实际紧密相依”。


二、IEDM, ISSCC, VLSI:深扎地下

       ISSCC,即IEEE International Solid-State Circuits Conference的缩写,国际固态电路会议,主要报道模拟电路、数字电路、电源管理、图像/MEMS以及机器学习的等集成电路设计方向前沿进展,始于1953年。

        在ISSCC 60多年的历史里,众多集成电路历史上里程碑式的发明都是在此首次披露(Science, Nature不接收这类文章的),比如:

世界上第一个TTL电路 (1962年)

世界上第一个集成模拟放大器电路(1968年)

世界上第一个1kb DRAM (1970年)

世界上第一个CMOS electronic wristwatch (1971年)

世界上第一个8-bit 微处理器 (1974年)

世界上第一个32-bit微处理器(1981年)

世界上第一个1Mb的DRAM (1984年)

世界上第一个1Gb的DRAM (1995年)

世界上第一个集成 GSM transceiver (1995年)

世界上第一个GHz的微处理器 (2002)

世界上第一个多核处理器 (2005年)

 

        VLSI,超大规模集成电路国际研讨会(Symposium on VLSI Technology and Circuits),相比IEDM和ISSCC要年轻不少,始于于1981年,每年六月中旬在日本京都、美国夏威夷轮流召开。顾名思义,主要讨论超大规模集成电路制造和设计。相比IEDM和ISSCC,VLSI多了一些集成电路制造的Workshop, 如原子层处理和选区域图案化,3D集成的低热预算掺杂等。

VLSI上中国内地第一篇论文,来自中科院半导体所的石寅研究员团队(《A direct digital frequency synthesizer with single-stage delta-sigma interpolator and current-steering DAC》)。中国内地产业界至今没有在VLSI会上发表一篇文章。我国产业界在原始创新方面,确实还有很长的路要走。

         IEDM大会始于1954年,具有六十多年历史,会议地点在美国华盛顿特区和旧金山市之间轮换,是电子元器件领域的国际顶级会议,是国际著名高校、研发机构和Intel、TSMC、三星、IBM等Giant发布先进技术和最新进展的重要窗口和平台。顺便,功率半导体领域的顶级国际学术会议 IEEE ISPSD(IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs)也是从IEDM会议中分离出来的。

IEDM集中在半导体元器件方面,作为一个器件研究人员,我个人关注得更多些,每年都能从这里看到学界和产业界的最前沿进展。IEDM 2020由于疫情转为线上举办, 议题囊括当下集成电路和微电子热门前沿技术和方向:Advanced Logic Technology,Memory Technology,Emerging Devices(2D materials and carbon nanotubes beyond simple CMOS transistors),(Integrated Photonics,Image Sensors, Display),Compound Semiconductor (包括Power Devices,Microwave, Millimeter Wave, and Analog Technology)。

当然Session的重心还是在先进逻辑器件方面,包括High-mobility Channel devices,3D technologies,Scaling booster,Beyond CMOS devices for low power,Future interconnect technology等延续或超越摩尔定律的可能技术方向。Memory也是重头戏,议题包括STT-MRAM,Non-Volatile Memories,Ferroelectric Memory以及前沿PCRAM/RRAM/MRAM存储技术。

IEDM连续整整一周的议程,每个session talk只有短短10分钟,确实够拼的!

   今年的3个Plenary Talk分别来自 2019年刚履新IMEC CMOS部门SVP的Sri Samavedam博士、美光和三星综合技术院,Talk内容分别对应大会重心的先进逻辑沟道器件,存储和人工智能&量子计算方向。位于比利时鲁汶的IMEC是世界领先的微电子研究机构和标杆,对半导体先进工艺的研究非常有名,诸如193nm浸没式光刻,高介电常数金属、铜、低介电常数材料等。

在极紫外光刻方面,IMEC除了和ASML在2018年就建立了ASML-IMEC High-NA极紫外光刻联合实验室外,2019年和超快光学方面世界领先的KMLabs联合建立了Attolab,致力于高数值孔径EUV先进制程相关的缺陷检测、阿秒级别!(1阿秒为10-18 s, 飞秒10-15 s, 皮秒10-12s, 纳秒10-9 s) EUV-光子相互作用和光刻胶曝光机理等极紫外光刻动力学相关研究。在高数值孔径EUV光刻机和先进制程推出之前,这些前瞻研发的重要性不言而喻。

Sri Samavedam博士先后任职于Motorola, Freescale 和Global Foundry,在Global Foundry时将14nm CMOS技术引入量产,同时领导了7nm的早期开发。由具有Global Foundry等产业背景,对先进制程和ASML极紫外都非常熟悉的Sri Samavedam博士来做《Future Logic Scaling: Towards Atomic Channels and Deconstructed Chips》的Plenary Talk似乎再合适不过,报告结论是:未来十到十五年发展路线,从EUV到High-NA EUV,HNS(Hybrid Nanostructures),FS(Forksheets),BPR(Buried Power Rail),CFET(Complementary FET)的结构和工艺,从Si到2D Materials多材料探索,从2D Soc到3D Chip,EDA工具等都需要更多研究。

先进逻辑技术Session报道的内容有,Ge沟道纳米线Fin-FETs和GAA(gate-all-around)-FETs,Intel和IBM的应变SiGe纳米片和堆叠纳米片GAA-PMOSFETs,WS2等二维沟道材料器件,三维异质集成,以及来自TSMC报道的先进互连技术和材料等,如(Cu, Co, Ru, Rh, Ir),混合金属,半大马士革,双大马士革互连工艺等。不要小看这互连材料和技术,据传,老司机Intel折戟7nm就是因为在10nm工艺节点时选择的“钴”材料难产,输给了选择铜合金的TSMC。这和最早的TSMC-Intel之间Gate-first和Gate-Last之争,或者ASML浸没式193nm光刻机-尼康干式157nm F2准分子激光器光刻机之争有点像,真是步步惊心!

据笔者粗略统计,IEDM 2020上,IMEC, Intel, Samsung, TSMC和Globalfoundries分别发表了约33篇,18篇,15篇,8篇文章或报告,显示出他们在这个行业的主导地位。我国本土的芯片代工龙头中芯国际(SMIC)在IEDM上没有出现,这在当下美国封装的大背景下并不让人奇怪。但是笔者往前追溯直至2014年,IEDM也都没有SMIC的身影。感兴趣的可以查查,但我在网上确实也没有搜索到相关报道。SMIC成立已逾20年,缺席在顶级会议上和同行的交流,还是感觉比较遗憾。

IMEC,作为非营利科研机构,能在群雄环伺诸侯争霸白热化的微电子和半导体领域享有话语权,在全世界范围内引领微电子技术前沿发展,确实难能可贵!美国本土的UC Berkeley等顶尖大学,以及后来硅谷尝试建立的类似微电子研究机构,都没能做到这一点。 IMEC所在比利时是小国,微电子产业薄弱,也许正是如此,才逼迫其走出去,和前述ASML,Intel以及KMLabs等高手共舞,最后自己也跻身高手行列。IMEC的研究范畴几乎囊括了IEDM涉及到的大部分方向,并且在每个方向都做得非常出色,确实值得我们学习和借鉴。

       IEDM与ISSCC、VLSI虽然久负盛名,但却并不为大部分科研研究人员所熟知,甚至很多器件领域的研究人员也不甚了解。我一直不太关注文章分区,不知道IEDM文章几区?和前述ISSC, VLSI一样,发一篇IEDM的文章也相当不容易。欣喜看到IEDM 2020上看到很多国内科研团队的身影:复旦大学在类脑计算(39.2),围栅多桥沟道晶体管技术(12.1),上海微系统所在5G射频滤波器(36.3),电子科技大学在抗辐射高压SOI LDMOS器件可靠性,西安紫光国芯在异质集成嵌入式DRAM(SeDRAM)等领域方向报道了重要进展。

       IEDM 2020 共有40个Session,每个session大概6个报告(文章),所以共有240篇文章。《Science》和《Nature》综合期刊今年刊文量大约都在1200篇左右(Nature 和Science均为周刊,每刊大概20篇相关研究Letters或Articles,据此估算),专业性《Nature Photonics》刊文在100篇左右(12个Issue, 每个Issue 8-9篇文章),而Nature Communication据说要飙升到5000篇每年了!


三、CES:繁茂枝头

     与IEDM, ISSCC, VLSI的相对“默默无闻”不同,每年的CES都会引起终端消费者和媒体的较大关注。刚过去的CES 2021因为疫情原因选择线上展览,但还是不少尖货,令人眼前一亮,主要集中在在芯片、显示及汽车电子等产品:

      芯片1)AMD 苏妈发布了基于Zen3 的全新Ryzen 5000 系列移动处理器;2)英伟达发布了RTX 3060、3070、3080 三款游戏本芯片;Intel一口气发布了50多款处理器,涵盖了商用、游戏、教育和移动四大平台。芯片是Intel、AMD、NVIDIA的“美利坚三国演义”。Intel, AMD, NVIDIA约曹魏,蜀汉和孙吴?

       汽车电子1)三星在CES上发布了最新的Digital Cockpit 2021(数字座舱2021);2)恩智浦推出了新汽车ADAS解决方案,可为汽车制造商提供灵活、可扩展的配置选择,以及满足弯角和前置雷达应用的NCAP 碰撞测试要求;3)宝马发布了首次采用5G技术的新一代iDrive系统;4)通用凯迪拉克电动飞行汽车。

     显示1)海信推出L9F系列全色激光电视和行业首款XDR电视。L9F系列实现了全色激光电视向全尺寸的普及,还加强了产品的社交功能;2)TCL发布Mini-LED、QLED以及4K HDR电视。其中,4K Mini LED C825电视采用了“多分区背光控制技术+量子点显示技术”组合;3)LG Display推出了升级版55英寸的透明OLED彩电;4)三星则带来了Neo QLED和Micro LED两个系列的电视产品。

      显示和影音产品在历年都比较受CES钟情,毕竟消费者接受信息很大程度上来自视觉,而最新最前沿的显示技术给人最直观的视觉冲击!从2009年1000000:1动态对比度的LED背光的LG W2486L液晶显示器,到2010年三星的PX2370,到OLED显示的兴起,到2011年的3D显示,到多触点触控显示,到时下的Mini-LED, Micro-LED, 激光显示, 柔性显示及VR/AR/MR等。显示产品的迭代更新,离不开背后LED, Mini-LED, Micro-LED, OLED, 激光器,传感器等元器件的技术进步和支撑。而苹果三星等最先进智能手机等产品,则无不受惠于最先进的芯片制程,而这些在每年的IEDM都被深入地讨论和研究。

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1 三星Micro-LED 电视,包括 110吋、99吋、88吋,4K画质,支持HDR10 和杜比视界,可将 110吋屏幕分屏为4 个 55 吋画面。110 吋版本售价约为100万RMB,相比之前天价,价格其实美丽了不少。


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2 海信L9F系列社交激光电视,配备AI智慧摄像头,支持6路视频通话、AI魔镜拍照、

AI体感健身、同屏观影、K歌连麦、小聚在家等社交功能。

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3 凯迪拉克电动飞行车,可搭载一名乘客,以每小时约90公里的速度飞行。

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4 InWith 集成AR模组的柔性隐形眼镜。


四、结语

      “罗马不是一天建成的”。再看IEDM,ISSCC,VLSI和CES,之所以能取得如此口碑和成功,是由于他们几十年如一日,始终深耕行业,服务行业,响应行业的呼求,跟随行业的脉动,一路伴随行业发展和成长!

    做时间的朋友,不忘初心,才能根深叶茂,泽厚流长。期待国内能有更多更高质量类似会议、论坛或展览!




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2 康建 黄永义

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