10月12日，第26届中国国际工业博览会在上海开幕。作为本届工博会全新升级的独立专业展，集成电路展（“国芯展”）以“芯链工业，强芯筑基”为主题如期举办。
当天下午，“芯启新质生产力，链筑全球新格局”集成电路高峰论坛作为“国芯展”核心议程同步举办，中国科学院院士毛军发受邀出席，发表题为《从晶体管微缩到互连微缩》的主旨演讲，深度剖析后摩尔时代集成电路的发展困境与破局之道。
图/中国科学院院士毛军发
摩尔定律逼近极限，晶体管微缩多重挑战
演讲伊始，毛军发院士回顾了集成电路的发展简史。从1958年基尔比发明集成电路，到1965年摩尔提出著名的摩尔定律，半导体产业在过去半个多世纪里一直遵循着“单位面积上晶体管数量每两年翻一番，性能增加一倍，成本减半”的规律。这一统计规律并非物理定律，而是通过“晶体管微缩”得以实现。
然而，随着工艺节点不断逼近极限，晶体管微缩正面临严峻挑战。毛军发在演讲中列举了翔实的数据：从2003年的90nm工艺，到2014年14nm节点与实际尺寸脱钩，再到2025年预计量产的2nm工艺，晶体管物理沟道长度的微缩越来越困难。他指出，当前晶体管微缩面临三重极限：
一是物理原理极限，沟道长度已逼近几十个硅原子尺寸（0.22nm），量子效应愈发显著；二是信号传输能量极限，根据Shannon定理，能正确传输信号的最小电压为0.036V；三是技术手段极限，包括窄线条刻蚀精度、芯片温度过高（热问题）、漏感应势垒降低效应以及栅介质直接隧穿效应等材料和设计问题。此外，毛军发也深刻分析了我国集成电路相对落后的原因，包括技术受西方封锁、产学研脱节、EDA软件缺乏规划与集成、大型软件工程能力较弱等，直指行业痛点。
时代选择，新材料、新架构与系统集成
面对“延续摩尔定律（More Moore）”面临的物理、技术与经济成本极限，“绕道摩尔定律（More than Moore）”成为业界共识。毛军发院士明确指出，集成电路的发展方向必须从单纯的晶体管微缩，转向系统集成与互连微缩。他指出，集成电路由半导体元器件通过互连连接组成，而传统互连在工作速度较快时，其传输线效应会严重影响系统性能。
演讲中，针对如何实现互连微缩，毛军发院士分享了多种前沿技术路径。首先是“分层导体降低互连金属损耗”，由于频率增加会导致趋肤深度减小，进而引发导体损耗急剧增加，采用由交替的导体层和绝缘层构成的分层导体，可增加金属的有效厚度，从而显著降低损耗。其次是“碳纳米互连技术”，碳纳米管（CNT）展现出远超铜（Cu）的优异性能。
此外，光互连技术在长距离大数据传输方面优势难以撼动，而先进封装与逻辑折叠技术（如BGA、TSV、TGV等）的演进，其核心目的都是为了缩短互连长度。
从集成电路走向集成系统，如何换道发展
演讲最后，毛军发院士提出从“集成电路（IC）”向“集成系统（IS）”变革的战略构想。
他指出，集成电路只是手段，微系统才是目的。集成系统是将各种芯片、传感器、元器件、天线、互连线等集成在一个基板上，形成具有预期功能的系统，具有高密度、小型化、高性能、低功耗等特色。这一变革意味着从传统的分立的封装集成，走向系统规划、协同设计、融合制造的一体化集成。
在这个过程中，“系统集成摩尔定律（SysMoore）”应运而生。通过“非摩尔补摩尔，互连微缩代替晶体管微缩”，电子系统的性能和功能增长曲线重回指数增长轨迹。毛军发院士强调，有机结合是实现复杂微电子系统的必经之路，从集成电路走向集成系统，是后摩尔时代微电子技术换道发展的重要方向，也是我国在集成电路领域实现突围、链筑全球新格局的关键契机。
