国产射频EDA软件突破！中国科学院院士毛军发谈半导体异质集成电路方向和突破路径

( 文/章鹰)6月9日，在2021世界半导体大会暨南京国际半导体博览会上，中国科学院院士、上海交通大学党委常委、副校长毛军发表示，集成电路是国家战略需求产业，2020年中国进口集成电路价值3500亿美元（同年进口石油1760亿美元）。我国高端芯片基本依赖进口。

图：中国科学院院士、上海交通大学党委常委、副校长毛军发

他特别指出，中国集成电路落后三大原因：一、EDA落后，现阶段研究算法的多，但很灵散，没有规划、集成，形成能力，大型软件工程能力较弱，经验较少，用户部愿意使用国产软件工具；二、装备落后，这主要是整体能力和市场环境等多方面因素影响；三、器件与电路落后，表现材料落后；工艺精细度和稳定性不足。

现在，集成电路有钱也买不到，2020年5月，美国商务部宣布全面限制华为购买美国技术生产的半导体产品；2021年4月，美国议员建议对14nm以下所有中国芯片公司出口管制。

目前，芯片有两条主要发展路线：一是延续摩尔定律；二是绕道摩尔定律。大家很清楚摩尔定律，现在面临一些挑战，包括物理极限挑战，技术手段挑战和经济成本挑战，光算经济账都不得了。绕道摩尔定律有很多途径，毛军发院士认为，途径之一就是异质集成电路。

半导体异质集成电路将是中国芯片弯道超车的可能路径之一

半导体异质集成电路，毛军发院士介绍说，就是将不同工艺节点的化合物半导体高性能器件或芯片、硅基低成本高集成器件成芯片（都含光电子器件或芯片），与无源元件或天线，通过异质键合成或外研生长等方式集成而实现的。毛院士指出，异质集成电路特色突出：一是可以融合不同半导体材料、工艺、结构和元器件或芯片的优点；二是采用系统设计理念；三是应用先进技术比如IP和小芯片，chiplet；具有2.5D或3D高密度结构。异质集成电路优点明显：首先，实现强大的复杂功能、优异的综合性能，突破单一半导体工艺的性能极限；二是灵活性大、可靠性高、研发周期短；三是三维集成可以实现小型化、轻质化；对半导体设备要求相对比较低，不受EUV光刻机限制。

他特别介绍了毫米波异质集成电路，“毫米波是从30个G到300个G的频段波段，带宽很宽，而且器件小型化，所以也是国际上半导体异质集成电路发展的重点方向。目前市场三大有三个特殊原因，对异质集成电路需求更加迫切：一是满足很多需求从5G、6G到航天导航到无人驾驶、智能装备到物联网都需要毫米波技术；二是毫米波系统包括数字电路、模拟电路、射频微波电路，所以对于异质集成更加迫切；三是毫米波异质所面临的挑战和问题更为严峻和复杂。因为频率高具有分布式参数，从“路”向场演变；模块之间的间距只有微秒量级、耦合紧密，造成设计工艺更加复杂。

毛军发院士指出，研究半导体异质集成电路的科学意义显著。可以通过集成电路从目前单一同质工艺向多种异质工艺集成方向发展，从目前二维平面集成向三维立集成方向发展，从TOP-DOWN到BOTTOM-UP发展，可以实现高性能的复杂系统。它的价值首先是电子系统集成技术发展的新途径；其次是后摩尔时代集成电路发展新方向；最后也是我们国家半导体集成电路变道超车发展的新机遇。

美国希望通过异质集成电路能将电力系统提升性能提高10倍，使得探测能力和速度提高100倍，体积、重量和功耗下降到目前的1/100。

国产射频EDA软件突破取得重大成果

设计是射频产业链的源头，射频电子设计自动化(EDA)软件是射频电路设计的使能端，也是射频产业的重要基石。在本次大会上，毛军发院士表示，针对中国对自主可控的射频电路EDA软件的迫切需求，由中国科学院院士、上海交通大学副校长毛军发和教授吴林晟研究团队自主研发的整套射频EDA仿真软件研发上市，获得了中国高等学校十大科技金奖。2020年，毛军发研究团队又获得了国家6G射频前端项目。

毛军发院士表示，他的团队和吴林晟教授研究团队，与芯和半导体科技(上海)有限公司开展合作，在国家973项目、国家自然科学基金、国家重大专项、上海市科委科研计划项目等的支持下，提出了高效的电磁和多物理仿真建模算法，自主研发仿真软件，实现器件多物理、多功能自动化协同设计，并基于上述成果联合建立了集成无源器件知识产权(IP)库、研制了多款产品，已经在移动通信、卫星通讯和集成电路等多个领域取得推广应用，为中国在射频EDA软件领域打破国际封锁做出了重要贡献。

据毛院士介绍，他们与芯和半导体科技(上海)有限公司开展合作，共发布48款国产射频EDA商用软件工具，500种高精度PDK模型，而且他们与中芯国际工艺兼容的集成无源器件IP库，已经量产3.5亿颗，基本实现了无源射频集成电路EDA工具自主可控。现在，这套合作研制的系列国产射频EDA商用软件，用于半导体、航空航天、雷达、通信、汽车等行业客户200家，系统用户包括中兴、华为、联想、富士康、华兰、中电、中航等众多公司，而且已经实现对Cisco、Intel、IBM、Apple等国际著名公司的出口。

毛军发院士也分享了4D手势识别雷达、毫米波雷达麦克风、生物学毫米波雷达、Wi波段异质集成片上雷达、基于多层BCB工艺的单/双通带滤波器的最新进展。

他最后表示，未来5年研究目标直指核心技术，包括EDA技术与软件，包括模型反向构建与多性能多功能协同技术、软件可分析设计3层6种芯片异质集成电路，可以验证到325GHz。这些技术的突破将未来为移动通信、物联网、雷达探测等国家重大新基建和重要装备研制提供自主核心技术支撑。未来10年研究目标，包括把光电子和电子集成在一起，这个难度更大，我们也希望能够突破异质生长工艺，把软件完全商业化。
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