國產射頻EDA軟件突破！中國科學院院士毛軍發談半導體異質集成電路方向和突破路徑

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2022-03-17 08:17:41 3

6月9日，在2021*半導體大會暨南京國際半導體博覽會上，中國科學院院士、上海交通大學黨委常委、副校長毛軍發表示，集成電路是*戰略需求產業，2020年中國進口集成電路價值3500億美元（同年進口石油1760億美元）。我國高端芯片基本依賴進口。

圖：中國科學院院士、上海交通大學黨委常委、副校長毛軍發

他特別指出，中國集成電路落后三大原因：一、EDA落后，現階段研究算法的多，但很靈散，沒有規劃、集成，形成能力，大型軟件工程能力較弱，經驗較少，用戶部愿意使用國產軟件工具；二、裝備落后，這主要是整體能力和市場環境等多方面因素影響；三、器件與電路落后，表現材料落后；工藝精細度和穩定性不足。

現在，集成電路有錢也買不到，2020年5月，美國商務部宣布*限制華為購買美國技術生產的半導體產品；2021年4月，美國議員建議對14nm以下所有中國芯片公司出口管制。

目前，芯片有兩條主要發展路線：一是延續摩爾定律；二是繞道摩爾定律。大家很清楚摩爾定律，現在面臨一些挑戰，包括物理極限挑戰，技術手段挑戰和經濟成本挑戰，光算經濟賬都不得了。繞道摩爾定律有很多途徑，毛軍發院士認為，途徑之一就是異質集成電路。

半導體異質集成電路將是中國芯片彎道超車的可能路徑之一

半導體異質集成電路，毛軍發院士介紹說，就是將不同工藝節點的化合物半導體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成器件成芯片（都含光電子器件或芯片），與無源元件或天線，通過異質鍵合成或外研生長等方式集成而實現的。毛院士指出，異質集成電路特色突出：一是可以融合不同半導體材料、工藝、結構和元器件或芯片的優點；二是采用系統設計理念；三是應用先進技術比如IP和小芯片，chiplet；具有2.5D或3D高密度結構。異質集成電路優點明顯：首先，實現強大的復雜功能、優異的綜合性能，突破單一半導體工藝的性能極限；二是靈活性大、可靠性高、研發周期短；三是三維集成可以實現小型化、輕質化；對半導體設備要求相對比較低，不受EUV光刻機限制。

他特別介紹了毫米波異質集成電路，“毫米波是從30個G到300個G的頻段波段，帶寬很寬，而且器件小型化，所以也是國際上半導體異質集成電路發展的重點方向。目前市場三大有三個特殊原因，對異質集成電路需求更加迫切：一是滿足很多需求從5G、6G到航天導航到無人駕駛、智能裝備到物聯網都需要毫米波技術；二是毫米波系統包括數字電路、模擬電路、射頻微波電路，所以對于異質集成更加迫切；三是毫米波異質所面臨的挑戰和問題更為嚴峻和復雜。因為頻率高具有分布式參數，從“路”向場演變；模塊之間的間距只有微秒量級、耦合緊密，造成設計工藝更加復雜。

毛軍發院士指出，研究半導體異質集成電路的科學意義顯著。可以通過集成電路從目前單一同質工藝向多種異質工藝集成方向發展，從目前二維平面集成向三維立集成方向發展，從TOP-DOWN到BOTTOM-UP發展，可以實現高性能的復雜系統。它的價值首先是電子系統集成技術發展的新途徑；其次是后摩爾時代集成電路發展新方向；最后也是我們*半導體集成電路變道超車發展的新機遇。

美國希望通過異質集成電路能將電力系統提升性能提高10倍，使得探測能力和速度提高100倍，體積、重量和功耗下降到目前的1/100。

國產射頻EDA軟件突破取得重大成果

設計是射頻產業鏈的源頭，射頻電子設計自動化(EDA)軟件是射頻電路設計的使能端，也是射頻產業的重要基石。在本次大會上，毛軍發院士表示，針對中國對自主可控的射頻電路EDA軟件的迫切需求，由中國科學院院士、上海交通大學副校長毛軍發和教授吳林晟研究團隊自主研發的整套射頻EDA仿真軟件研發上市，獲得了中國高等學校十大科技金獎。2020年，毛軍發研究團隊又獲得了*6G射頻前端項目。

毛軍發院士表示，他的團隊和吳林晟教授研究團隊，與芯和半導體科技(上海)有限公司開展合作，在*973項目、*自然科學基金、*重大專項、上海市科委科研計劃項目等的支持下，提出了高效的電磁和多物理仿真建模算法，自主研發仿真軟件，實現器件多物理、多功能自動化協同設計，并基于上述成果聯合建立了集成無源器件知識產權(IP)庫、研制了多款產品，已經在移動通信、衛星通訊和集成電路等多個領域取得推廣應用，為中國在射頻EDA軟件領域打破國際封鎖做出了重要貢獻。

據毛院士介紹，他們與芯和半導體科技(上海)有限公司開展合作，共發布48款國產射頻EDA商用軟件工具，500種高精度PDK模型，而且他們與中芯國際工藝兼容的集成無源器件IP庫，已經量產3.5億顆，基本實現了無源射頻集成電路EDA工具自主可控。現在，這套合作研制的系列國產射頻EDA商用軟件，用于半導體、航空航天、雷達、通信、汽車等行業客戶200家，系統用戶包括中興、華為、聯想、富士康、華蘭、中電、中航等眾多公司，而且已經實現對Cisco、Intel、IBM、Apple等國際*公司的出口。

毛軍發院士也分享了4D手勢識別雷達、毫米波雷達麥克風、生物學毫米波雷達、Wi波段異質集成片上雷達、基于多層BCB工藝的單/雙通帶濾波器的最新進展。

他最后表示，未來5年研究目標直指核心技術，包括EDA技術與軟件，包括模型反向構建與多性能多功能協同技術、軟件可分析設計3層6種芯片異質集成電路，可以驗證到325GHz。這些技術的突破將未來為移動通信、物聯網、雷達探測等*重大新基建和重要裝備研制提供自主核心技術支撐。未來10年研究目標，包括把光電子和電子集成在一起，這個難度更大，我們也希望能夠突破異質生長工藝，把軟件完全商業化。

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