吳林晟， 毛軍發。 從集成電路到集成系統。 中國科學： 信息科學， doi： 10.1360/SSI-2022-0414

研究意義

摩爾定律已面臨物理、技術與成本極限的多重挑戰，集成電路在沿著摩爾定律預測的尺寸縮小路徑艱難發展的同時，亟需開辟新的方向。集成電路是我國高新技術與產業被“卡脖子”的一個痛點，從先進材料、元器件、制造裝備、測試設備、EDA工具到高端芯片產品全面被禁運，嚴重制約了我國高新技術的自主發展，甚至威脅到國家安全。因此，快速發展自主可控的集成電路技術已上升到國家戰略層面。而由于其強大的功能、優異的性能、對設備要求相對較低以及與歐美差距相對較小，集成系統技術在摩爾定律面臨挑戰的今天，已成為我國集成電路科技與產業變道超車發展的突破口和歷史機遇。

概念內涵

集成系統（Integrated Systems，IS）定義為，將化合物半導體高性能器件或芯片，硅基低成本、高集成度器件或芯片，微機械、微光學、微能源、微流動等元部件，以及無源元件與天線等各種不同工藝種類與節點、不同尺度與架構的元器件、芯片或組件進行集成，實現所需要的微電子系統。集成系統中所有芯片、元器件、互連線在結構上組成一個整體，提升系統高密度、小型化、強功能、高可靠、低功耗、低成本、易設計、易制作等方面的能力。集成系統具有跨尺度、跨材料、跨工藝、跨維度、跨物理、一體化的特征。

一種集成系統示意圖

集成系統的技術發展趨勢可以總結為： （1）集成度、工作速度不斷提高； （2）電-光-聲-機-生物多元一體融合； （3）后端集成與前端芯片工藝相向發展。 集成系統面臨多物理調控（電磁、溫度、應力等）、多性能協同（電磁、信號/電源完整性、熱、機械、可靠性等）、多材質融合（硅、化合物半導體、有機、相變材料等）三方面的挑戰，需要解決的關鍵科學技術問題概括為： （1）集成系統體系架構； （2）電-熱-力跨尺度耦合多物理效應與演變規律； （3）多性能多功能協同機制； （4）異質界面生成與工藝量化調控機理； （5）可測性原理； （6）集成系統的協同仿真設計。

技術雛形

（1）芯粒技術：近年來興起的芯粒（Chiplet）技術將單一先進工藝的大芯片分解成多個特征模塊，每個模塊（芯粒）用各自最適合的工藝實現，再通過先進封裝集成技術將其重組為一顆芯片。 （2）封裝天線技術：指在包含無線芯片的封裝結構中實現集成化的天線或陣列。與射頻系統級封裝即RF-SiP技術相伴，AiP將無線芯片、天線輻射單元或陣列、封裝體及其它必備部件協同設計和一體化集成。 （3）多功能無源元件：將多種不同功能的元件結合為協同或融合設計的多功能元件，可以顯著減少系統所需元件和轉接數量，大幅減小電路尺寸，降低插損，提高集成度。 （4）異質異構集成技術：將不同工藝節點的化合物半導體材料高性能器件或芯片、硅基低成本高集成度器件或芯片（都含光電子器件或芯片）、無源元件（含MEMS）或天線，通過異質鍵合或外延生長等方式，在微納尺度集成實現更高級別的集成電路或系統。作為一種典型的異質異構集成方案，TSMC的SoIC技術是一種創新的多芯片堆疊技術，不再使用微凸點而是直接采用TSV將堆疊裸片垂直聯接，具有更高的集成密度和更短的互連。

芯粒技術示意圖

封裝天線示意圖

異質異構技術實現路線

TSMC的SoIC技術及其ImMC應用示意圖

編輯：黃飛