2021年军事电子基础领域发展综述

焦 丛， 王龙奇

(1. 中国电子科学研究院， 北京 100041; 2.中国电科发展战略研究中心， 北京 100043)

0 引 言

人类社会正在迈进全新的信息时代，电子基础技术在可追溯的过去和可预见的未来，都扮演着至关重要的角色。2021年全球电子基础器件普遍短缺，凸显了电子基础技术在当今社会中的不可或缺性，也加速着全球半导体供应链的重塑。作为当下最受瞩目的热门产业，美国、欧洲、英国、韩国等国家持续布局，一些关键技术获得重大突破；以半导体为代表的电子基础技术发展核心驱动因素逐渐转变，协同发展趋势更加明显；随着摩尔定律逐步走向终结，集成电路在功率、带宽、速度等方面逐渐逼近性能极限，先进封装、新材料、新架构成为延续摩尔定律的有效支撑。

1 大国持续布局前沿微电子技术，部分技术实现重要突破

微电子技术的重要性与日俱增，目前世界各国都在积极布局发力，包括EDA设计工具、核心IP、前沿材料、高端半导体制造设备等。2021年3月，欧盟发布《2030年数字指南针：欧洲十年数字化之路》，为未来10年的发展提出最新目标“至2030年，欧洲先进和可持续半导体的生产总值将至少占全球生产总值的20%；攻克2 nm工艺，能效至少翻10倍”[1]；5月，韩国政府和芯片企业宣布计划在未来十年内斥资约510万亿韩元(约合2.9万亿人民币)，建立全球最大的芯片制造基地，以争夺全球范围内的芯片主导地位；6月，美参议院表决通过《2021年美国创新与竞争法案》，拨款527亿美元设立“美国芯片基金”“美国芯片国防基金”和“美国芯片国际技术安全与创新基金”，用于激励美国本土芯片的研发与生产；9月，欧盟宣布将设立新的《欧洲芯片法案》；11月，日本经济产业省召开第四次“半导体与数字产业战略研讨会”，提出有关强化日本半导体产业基础的“三步走”实施方案。

在各国积极推进下，部分关键技术实现重要突破。1月，美国麻省理工学院与格芯公司合作，实现全硅基光电融合突破性进展，设计出一种微米级大小正向偏置全硅基发光二极管(LED)，在完全集成于55 nm商用芯片基础上实现了低电压、高速高亮的近红外发光，其发光强度和调制解调速度可同时达此前记录的十倍以上；3月，美国国家标准与技术研究院(NIST)与加拿大公司联合开发出一种可编程的光量子芯片，可在室温下与显微谐振器一起工作，能执行连续可变量子计算；4月，美国Cerabras公司推出一款名为“Wafer Scale Engine 2”的AI芯片，采用7 nm工艺，具有2.6万亿个晶体管，可更快地处理信息，加速AI运算；5月，IBM公司发布了世界首个2 nm芯片制造工艺，每平方毫米集成3.33亿个晶体管，相比7 nm芯片，同功率下性能提升45%，功耗减少75%，是迄今为止集成度最高、功能最强大的芯片。

2 半导体技术趋同发展更加明显

科技已经成为大国竞争博弈主战场，半导体技术尤甚。美国联合盟友主导成立美国半导体联盟，欧洲开展半导体自主计划，韩国发布“K半导体”计划，印度军工巨头进军半导体产业等，表明全球半导体领域的全面竞争已经开启。军用和商用半导体都是半导体生态体系的有机组成部分，坚实的工业基础可为军用半导体成长提供优质土壤，军用技术研发又常常是工业化的种子，二者相辅相成。

一些军用项目，如DARPA于2021年7月启动的“基于快速事件的神经形态相机和电子”(FENCE)项目，已成为发展新架构的重要引擎之一，可推动商业技术向前发展。目前，在先进微电子技术方面，呈现一定趋同性：一是通过半导体技术创新实现信息与通信技术(ICT)对信息的泛在、无缝感知和通信能力；二是通过开发神经启发计算、存内计算等新计算架构，突破冯·诺伊曼架构能效限制；三是利用Chiplet等异构集成的系统封装技术实现现有工艺水平的性能提升等。在2021年10月召开的第四届“电子复兴计划”峰会上，与会专家强调“电子复兴计划”将进入2.0时代，工作重点转为促进国内半导体企业参与相关前沿两用项目研究，推动先进技术在商业领域和国防领域的双向应用，为计算效率、异构集成、硬件安全、电子设计、人工智能组件、安全通信等领域提供能力提升[2]。

3 芯片持续短缺，加速全球半导体供应链重塑

2021年，受疫情、火灾、停电和干旱等意外因素影响，芯片短缺状况进一步加剧，呈持续蔓延之势，其中电源管理芯片和微控制器芯片交付时间的增长尤为明显。世界各国也逐步认识到半导体供应链面临的危机和挑战，由此加速了全球半导体供应链的重塑。

2021年2月24日，拜登政府发布行政命令，对半导体芯片、药品及药物成分、稀土等关键矿物质、高容量电池等4类关键产品供应链进行审查和风险评估；4月12日、5月20日、9月23日，美国白宫先后三次召开会议，议题均集中在如何解决芯片短缺与美国半导体供应链弹性与安全问题。尤为值得注意的是在第三次会议上，白宫要求相关企业在接下来的45天内提供其在美国的供应链信息，包括芯片库存、订单和销售记录等，以提高芯片供应透明度。截止2021年11月9日，已有37家国际企业与机构完成信息提交，包括台积电、联电、格芯、日月光、英飞凌、瑞萨、美光、铠侠、西部数据等，其中台积电提交了三份档案，包含公开表格一份，涉及商业机密的非公开档案两份；4月，印度提出要向每家在该国设立制造部门的公司提供超10亿美元现金资助，以加强其本国电子产品供应链；4月，美国和日本政府达成共识，将合作保障半导体等战略科技组件供应链的安全，双方计划建立工作组，在半导体研发和生产领域进行分工，并将讨论在日本建立联合研究基地以研发新技术的可能性；5月，韩国产业通商资源部对外宣布，全球光刻机龙头阿斯麦(ASML)公司计划在韩国建设光刻设备再制造工厂及培训中心，新厂预计于2025年完成建设；6月，日本政府宣布将为台积电公司在日本的芯片研发中心提供约1.7亿美元资助金，该中心于2022年正式启动；10月，德国博世公司宣布投资4亿欧元，作为该公司2022年在德国和马来西亚的芯产投资，以缓解其供应链压力。

4 半导体技术发展核心驱动因素转变

过去10年，全球半导体技术的创新催生了一系列变革性技术发展，包括5G、人工智能(AI)、自动驾驶、物联网等；未来10年，晶体管缩放带来的计算能力的增长趋于平缓，驱动半导体发展的因素将演化成三方面：一是应用驱动，如被动传感、自适应电子战等；二是技术驱动，如新式计算、先进制造和原型设计；三是工业驱动，如制造业回流、新兴应用需求的激增等。其中，新兴应用将成为半导体产业发展的最重要推力之一。

例如，随着人工智能在各个领域加速应用，增强现实、虚拟现实、语音和面部识别技术、计算机视觉和自然语言处理等需要高处理速度和专用组件来执行复杂的数学计算，加速了芯片智能处理技术的发展。麦肯锡的一项研究报告预测，未来几年与人工智能相关的半导体可能会增长18%；人工智能半导体将占半导体整体需求的20%。又如，物联网目前也已应用于智慧城市、供应链管理、医疗保健、农业、制造业以及消费电子产品领域，全球目前已有超过 117 亿台物联网设备，预计到2025年将增至300亿台，这将极大推动半导体产业发展。

5 先进封装技术有望成为摩尔定律延续的有效支撑

摩尔定律仍然有效，但推进速度趋缓，发展逐渐面临瓶颈。在此背景下，Chiplet(小芯片)、异质/异构集成等先进封装技术的重要性日益凸显。通过先进封装，研发人员能够在硅基上添加新材料和器件，并创建专用结构和功能，以满足商业和国防部门的个性化需求[3]。

6月，比利时微电子研究中心成功实现半导体激光器的晶圆级集成；7月，英特尔宣布推出Foveros Direct，以实现10 μm以下的凸点间距，使3D堆叠的互连密度提高一个数量级；9月，台积电推出新型封装技术——紧凑型通用光子引擎(COUPE)，将多种引擎与多种计算和控制ASIC集成在同一封装载板或中间器件上，缩小组件距离、提高带宽和功率效率；10月，在第四届“电子复兴计划”峰会上，几乎每位行业领袖都谈及先进封装，指出先进封装将成为摩尔定律延续的重要驱动；12月，英特尔与意大利政府进行谈判，计划将在当地兴建先进封装厂，投资规模或达80亿欧元。

后摩尔时代，先进封装是电子产品小型化、多功能化、降低功耗的重要手段，未来将驱动集成电路向高性能、高密度方向进一步发展。

6 新材料和新架构成为前瞻性研究的重点

随着制程工艺的发展，晶体管尺寸已逼近工艺极限和物理极限，进一步微缩已难以为继，必须寻求新技术来取得突破，新材料、新架构成为发展重点。一是新材料技术技术加速发展，正向产业化推进。2月，欧盟的“二维实验性试产线”项目开发出基于二维材料的电子/光子原型器件并实现小批量生产；5月，台积电与麻省理工学院演示了首个利用半金属铋作为接触电极的二硫化钼晶体管，使接触电阻降低至量子极限，并显著提高了开态电流；6月，日本NCT公司宣布4英寸氧化镓外延晶圆实现量产，器件良率超70%；12月，Intel展示世界上第一个在室温下实现磁电自旋轨道(MESO)逻辑器件，表明了基于开关纳米磁体的新型晶体管的制造可行性。二是新型计算架构创新发展。2月，三星公司公布名为“高带宽-内存计算”(High-bandwidth memory，processing-in-memory,HBM-PIM)的存储器架构，该架构可将联网系统中的一些运算工作分流到远程数据库，减轻CPU的处理负担，提高处理速度；7月，ARM公司开发出32比特的柔性微处理器“PlasticARM”，有望推动低成本、全柔性智能集成系统的发展；10月，德国马克斯·普朗克微结构物理研究所开发出一种用于神经拟态计算的新型记忆电容器器件，能在8位精度下达到超过3 500 TOPS/W(TOPS/W用于度量在1 W功耗的情况下，处理器能进行多少万亿次操作)，超越其他现有的忆阻器方法最高300倍；10月，英特尔公司发布其首款7 nm神经拟态芯片“Loihi 2”，可模拟100万个神经元，相比前代芯片面积缩小了一半，处理速度是前代的10倍。

智能手机、人工智能、仿生机器人、物联网、MEMS等应用的飞速发展，对电子基础技术的要求变得更加复杂，包括定制、集成、可升级、低功耗、低成本，而非仅仅更小、更密、更快。后摩尔时代电子基础技术将向如下几个方向发展，一是系统性，在单颗芯片上实现系统功能，包括电源、处理器、存储器、传感器、无源元件、发射器和接收器等；二是集成性，淡化对线宽和尺寸的追求，转而将异质/异构的数字和非数字功能集成在一起，发展出多种结构和功能；三是材料多样性，应用材料从传统的硅锗材料，延伸到磁性材料、有机材料、二维材料，甚至生物材料等。

7 结 语

2021年，大国竞争愈发激烈，军事强国间科技博弈逐步升级，电子基础技术的重要性日益凸显。同时，疫情的持续肆虐对全球产业链、供应链带来冲击，加速全球半导体供应链的重塑。在此背景下，各国纷纷加强对电子基础领域的战略部署，推动关键技术突破、以期利用先进封装、新材料与新架构的前沿技术成果，实现摩尔定律的延续，驱动集成电路向高性能、高密度方向进一步发展，继而推动军事电子装备朝向数字化、网络化、智能化演进。