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下一次工业革命的基础仍然是半导体信息技术 | 悦读
2019-05-24 00:05
来源:中国战略新兴产业

 

  本文首发于2019年5月1日期

  《中国战略新兴产业》

  栏目主持:卜文娟

 

  《2018 科学发展报告》

  中国科学院 著 科学出版社 出版

  《2018科学发展报告》旨在全面综述?#22836;?#26512;2017年度国际科学研究前沿进展动态,?#20449;?#21644;展望国际重要科学领域研究发展趋势,揭示和洞察科技领域创新突破及快速应用的重大经济社会影响,报道和介绍我国科学家具有代表性的重要研究成果,观察和综述国际主要科技领域研究进展及科技战略规划与研究布局。

 

  半导体产业是一个非常具有活力的高科技产业


  半导体科学与技术的出现和半导体工业的发展使人类进入了高度发达的信息化社会,半导体技术成为支撑所有现代工业和军事力量的底层核心技术,是保障经济社会发展和国家安全的战略性、基础?#38498;?#20808;导性基石。据统计,半导体工业每1美元产?#30340;?#22815;带动100美元的GDP。无论是民用电子产品还是高精尖的军用武器,其性能严重依赖于所使用的各类半导体器件与芯片的性能,半导体工业的强弱成为衡量一个国家综合实力的重要标志。经过半个多世纪的高速发展,半导体产业已经成为一个成熟的产业,因其远高于其他工业品的利润率和附加值,世界各国仍在不断加大研发?#24230;?#26469;提高在该产业领域的竞争力,由此可见,半导体产业仍然是一个非常具有活力的高科技产业。此外,半导体技术还在不断孕育新兴产业,如大数据、云计算、智能?#19994;紜?#29289;联网、无人驾驶、人工智能等。在生物时代、人工智能时代、大数据时代、物联网时代的争论中,我们坚信21世纪仍然是信息技术的时代,下一次工业革命的基础仍然是半导体信息技术。

  半导体分为集成电路、光电子器件、传感器?#22836;?#31435;器件四个主要领域。集成电路又包括模拟电路、逻辑电路、微处理器和存储器四大类,占据81%的半导体市场份额,主要用来实现数据计算、分析、处理和存储以及信号处理等,广泛应用于计算机、手机、电视机、相机、卫星、汽车等各类电子产品中。光电子器件、传感器?#22836;?#31435;器件合称OSD分立器件,占据剩余的19%市场份额(如果按销售的器件数量统计则占据71%的份额),用来实现探测、感知、放大、成像等,广泛用于指纹识别、透视、夜视、制导、遥感、激光雷达、工业自动化、机器人、家用电器、环境监测、医疗设备、网络通信、汽车电子、消费电子、照明显示等。同?#20445;?#30001;于智能手机、智能?#19994;紜?#29289;联网、无人驾驶、无人机、云计算、大数据等产业的兴起,对光电子芯片的需求呈明显上升趋势。

 

  半导体技术将会面临新的挑战 半导体信息技术不断进步促使大


  数据、云计算、人工智能等新兴技术不断成熟,人类正在由电脑与电脑相连的虚拟互联网向物物相连的物联网扩展,视?#23548;?#25511;、智能终端、应用商店等的快速普及导致全球数据量发生爆炸式增长,人类正大步向大数据时代迈进。根据国际数据公司的预测,2020年每人每秒将产生1.7MB数据,全球数据量将增加到44万亿GB。进入大数据时代,信息交换、信息存储、信息处理三个方面的半导体技术将会面临新的挑战。

  在未来,分?#38469;?#32593;络传感器、大数据中心?#22270;?#31639;能力相结合,进一步促进技术创新并提高生活质量,要实现这样的愿景,无论是小型传感器、高性能计算机还是其间的网络系?#36710;?#37117;必须最大限度地提高性能,同时最大限度地减少能源消耗并保证安全?#38498;?#21487;靠性。为了实现这一目标,迫切需要对超越传统的互补金属氧化物半导体器件和电路、冯·诺依曼结构以及信息处理方法进行研究。另外,还需要研发新材料和可扩展工艺,产生新的制造模式,并将这些新技术融入芯片制作中。未来,半导体技术将在诸如人工智能、物联网、高性能计算以及人类社会期望和依赖的互连世界等应用和领域中取得突破性进展。

  更高的集成度。传统的硅基半导体技术要按摩尔定律?#26377;?#21457;展,必须解决一系列的关键技术和专用设备,如新型器件的研发(非传统CMOS器件、新型存储器、逻辑器件等),集成电路设计、封装和测试技术,新型光刻机、刻蚀机等配套设备等。半导体器件的尺寸不能无限制地减小,如果器件尺寸小至电子德布罗意波长(10纳米),量子效应将会更加显著,此时需要在量子力学原理基础上设计新型半导体器件。以前板级集成的元件,如各种无源元件(电容器、电感器等)和有源元件(天线和滤波器等)以及存储器和逻辑结构等,已可通过异构系统集成到同一片上,?#24066;?#27599;单位体积集成更多的功能。先进的3D集成?#22836;?#35013;技术可实现垂直扩展和功能多样化,通过异构整合可进一步大幅提升系统性能和功能。?#26377;?#22411;?#24230;?#24335;传感器?#25581;?#26500;“片上系统?#20445;?#20135;品多样?#38498;透叢有?#26085;益增加,半导体光电传感器件将向更长和更短波长、更大功率、更高工作频率的方向发展。

  集成光电子学领域。以摩尔定律为驱动的传统的硅基半导体技术似乎触到了天花板,当前最先进的14纳米工艺中央处理器(CPU),1平方厘米内集成了超过20亿个晶体管,晶体管尺寸已经接近物理极限,单根金属导线只?#23633;?#32435;米宽,导线间距只有50纳米,CPU的发热和导线间的信号串扰成为关键问题。为了解决这些难题,早在20世纪?#21496;?#21313;年代就提出光互连代替电互连的光电集成技术,甚至提出了?#23381;?#20195;替电荷的半导体量子技术来代替传统微电子。相对于电互连,光互连具有通带宽、信息量大、损耗小、速度快、能并行处理、抗电磁干扰等?#35834;恪?#38761;命性的光电集成技术将带来新的功能和应用。目前在硅片上已经成功制成调制器、波导、光栅、棱镜和其他无源光学元件等,如果能在硅片上制备出激光器就可以实现光电集成技术。然而硅片是间接带隙半导体材料,不能制作发光器件。目前科学家们正在解决片上光源的问题,以便在硅片上实现光电集成。

  半导体量子信息技术领域。量子信息科学技术的迅速发展,为精密测量、量子保密通信和量子计算等领域提供了全新的革命性的理论和实验方法。量子信息技术并不仅是指应用量子器件的信息技术,而主要是指基于量子力学的相?#21830;?#24449;,重构密码、计算和通信等的基本原理。量子信息的物理实现是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置,它们的实现将导致信息科学观念和模式的重大变革。相对于核磁共振、离子阱、光学腔、超导电子器件、金刚石等量子技术方案,半导体量子系统具有无可比拟的?#35834;悖?#20363;如可以利用成熟的现代半导体技术,在同一芯片上同时集成传?#36710;?#23376;器件和量子器件。硅基量子计算机最近取得了重大进展,研究人员已经在硅上建立了第一个量子逻辑门,实现了双量子比特逻辑运算,预示实现硅量子计算的曙光已经出现。?#23381;?#20195;替电荷的半导体量子技术将可以制造出具有非挥发、低功耗、高速和高集成度?#35834;?#30340;器件,甚至有可能引起电子信息科学的重大变革。实现?#23381;?#20026;基的量子计算机的主要困难是精确控制和保持?#23381;?#30456;干,因此如何产生?#23381;?#30456;干电子态,以及减小?#23381;?#36864;相干等许多物理问题还有待研究和解决。

 

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