芯片怎样才能继续强大起来？异质整合或是最好的选择

今年是集成电路（IC）发明60周年，过去60年来，装载着IC的电脑、笔电、手机与网络，让资讯运算能力大幅提升，也大大改变了人类的生活模式。人类生活模式的改变，特别是沟通与接收讯息方式，又进一步迫使IC运算能力必须相对提升。

集成电路的发展速度飞快，20多年前，一颗IC的尺寸是1微米，几乎是现今的100倍，储存容量相差达万倍以上。过去，一台电脑几乎要一个房间才能容纳得下，如今，一支小小手机上的芯片功能就已超越过去电脑的运算能力。

虽然每隔1～1.5年，半导体芯片功能可强大两倍的摩尔定律，在未来十年内仍然有效，不过，也有很多人担心尽头即将到来。当传统硅芯片透过曝光、显影等制程技术而来到极限时，下一步，人类该如何让半导体芯片功能继续强大呢？

透过异质整合技术的非传统芯片，成了市场开始思考的解决出路。异质整合，指的是将不同芯片透过封装或其他技术放在一起，使芯片功能更强大。例如，过去记忆体与中央处理器的芯片是分开的，如今，两者整合已成为趋势。不仅如此，包括把感测器与非硅材如LED或通讯芯片等结合在一起，也是现在半导体产业的热门方向。

早在十年前，工研院就已经投入相关领域的研发，包括3DIC、晶圆级封装技术、硅光子技术（Silicon Phonotics）、微发光二极体（Micro LED）等，都是半导体异质整合的应用案例。

简单来说，异质整合技术是希望将各种不同功能的IC芯片，藉由封装技术或半导体制程，再整合至另外一个硅晶圆、玻璃或其他半导体材料上面。

一般说来，异质整合具备两大优势：第一，在进行IC设计时，不需要把所有功能设计在同一个芯片上，可以提高设计开发的效率；第二，突破硅的物理限制，更能将硅应用到各种不同领域。

工研院目前正在进行中的硅光子计划，便属于典型异质整合例子。由于硅不适合处理光讯号，所以光纤通讯里面有很多不是使用硅的半导体，而是砷化镓等材料，这导致硅芯片必须再串连、转换出去，才能与光纤网络桥接，消耗的电能与运算容量自不在话下。

硅光子计划就是想办法让本来在砷化镓上面做的东西，能够直接在硅的平台上整合，最后可实现用电来控制光，如此就能降低光纤通讯半导体的制作成本、加快设计速度。

很明显的，异质整合将是下一波半导体发展的关键技术，包括美国、日本、中国大陆等都相继投入此领域。

过去，***半导体产业具备两大优势，一是上下游供应链完整，二是半导体人才众多。然而，面对传统芯片的制程极限，***业者必须力求创新突破，才能持续在未来半导体市场上保有竞争优势。

特别是人工智慧、自动驾驶、5G等新兴科技正驱动资讯处理量持续成长，***半导体产业唯有掌握下世代半导体异质整合新技术，才能让产业成功转型升级并再创高峰。

国内首条硅光子研发中试线年内建成

近日，从市科委获悉，张江实验室牵头承担的硅光子市级重大专项在工艺技术方面取得突破，具备了光芯片流片能力。预计今年年内，我国第一条硅光子研发中试线将在沪建成。这一专项志在上海打造硅光子芯片全产业链，掌握关键核心技术，让国内企业摆脱对国外光芯片供应商的依赖。

上海首批市级科技重大专项之一“硅光子市级重大专项”项目启动会已于今年4月在张江实验室举行。硅光子技术让光子作为信息载体，实现信号传输的安全性和可靠性，是有望颠覆传统集成电路产业的前瞻性技术。为此，上海市政府将硅光子与硬X射线自由电子激光、国际人类表型基因组一同作为首批市级科技重大专项，予以全力支持。

市科委副主任干频介绍，硅光子重大专项由张江实验室牵头，国内一批企业、高校和科研院所参与，通过扩展上海微技术工研院这一研发与转化功能型平台的功能，突破硅基光互连芯片和器件的共性关键技术，从而吸引各方资源，力争使上海成为硅基光电子这一战略领域技术新发明、产业新方向的重要策源地。

上海有很好的硅光子技术研发基础。多年来，沪上高校、科研院所和企业在这一领域开展了持续攻关。另一方面，上海的集成电路产业在全国处于领先地位，尤其在张江，拥有较为完整的产业链，有条件将大规模集成电路工艺用于光电集成，制造出新一代硅基光互连芯片。“我们要在上海打造全产业链，包含芯片设计、制造、封装、测试等各个环节。”余明斌说。

此前，工信部发布《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年）》，提出确保2022年中低端光电子芯片国产化率超过60%，高端光电子芯片的国产化率突破20%；2022年国内企业占据全球光通信器件市场份额的30%以上，有1家企业冲入全球前3名等。此次上海硅光子项目率先取得突破，将有利于国内企业抢占通信器件高端市场，对于通信产品自主可控也具有重要意义，结合未来几年千亿级别的通讯网络投资，市场前景广阔。

除了通信，光芯片还能用于激光雷达、平行计算、大规模光开关、三维光电集成等具有巨大发展潜力的前沿项目，成为自动驾驶、新一代计算机、超高清电视等领域的核心部件。

去年，上海市政府将硅光子列入首批市级重大专项，投入大量经费，布局硅基光互连芯片研发和生产。而今，很多业内人士感叹，上海真是未雨绸缪，因为硅基光互连芯片是新一代通信芯片，国内通信企业已在这种器件上被卡了脖子。

随着硅光子市级重大专项的推进，上海有望涌现出一系列成果。王曦表示，专项团队会通过建立高效的项目管理机制、加强战略规划研究、进一步开放协同等举措，以全球视野实施重大专项，早日将上海打造成世界级硅光子基地。