张荣 刘明 祝宁华 唐华 刘克 | 超越摩尔时代的集成新路径与新技术——学术综述

随着集成电路技术逼近摩尔定律(Moore's law)的物理极限,传统芯片制程面临材料、器件及架构瓶颈.基于国家自然科学基金委员会第393期双清论坛本文总结了超越摩尔时代半导体集成中的新材料、新器件和新架构的研究进展与未来发展方向,凝练了未来5～ ～ 10年亟待解决的关键科学问题和技术挑战,包括碳基材料、(超)宽禁带半导体材料、二维材料等新材料;集成自旋量子比特、宽禁带半导体功率器件、宽禁带半导体射频器件等微电子器件;硅基光电子器件、微型发光二极管等光电子器件;光电异质融合集成、存算一体芯片架构等体系新架构. 同时,提出了“多域多场异质集成技术"发展路径, 以支撑超越摩尔时代的产业变革,并制定技术路线图及政策建议, 旨在推动我国集成电路技术持续创新和突破.

关键词  #超越摩尔定律, #集成电路, #新材料/新器件/新架构, #光电异质融合, #异构集成技术

本文根据国家自然科学基金委员会第393期“双清论坛”讨论的内容整理。全文出版在《中国科学：信息科学》2025年55卷第6期上。

1 超越摩尔时代半导体集成的研究现状与发展趋势

当前全球科技竞争日益激烈, 集成电路技术正处于竞争的最前沿. 集成电路是现代信息技术的基石, 是国家经济建设、社会发展、国防安全的重要基础, 是国家科技自立自强的核心支撑点. 半个多世纪以来, 集成电路的发展主要依靠尺寸微缩技术, 即摩尔定律, 实现性能的指数提升, 但随着工艺进入5 nm时代, 尺寸微缩已经接近物理极限. “超越摩尔时代”成为半导体发展的一个新阶段, 超越是一个长期过程, 在已有的成果基础上不断探索寻找新路径、新技术, 从而获得新的突破. 随着大数据时代的到来, 各行业对算力的需求爆发式增长, 如图1所示. 传统的依赖于单一处理器算力性能提升的方式已无法满足这些日益增长的需求. 半导体材料、器件、架构及其集成技术是最核心的底层技术. 在超越摩尔时代的进程中, 通过半导体新材料、新器件和新架构的协同创新, 才能在更高效、更低功耗的前提下全面提升系统各类性能, 突破现有技术瓶颈, 推动大数据时代的科技发展.

首先, 整体架构层面的全新设计和深度优化对数据传输能力的提升至关重要. 随着5G, 6G等新一代通信技术的推广和普及, 数据传输速度成为整体系统能否满足算力提升需求的瓶颈. 新一代计算系统架构不仅需要综合考虑不同功能模块之间的协同效应, 还要合理规划各类器件的布局与集成, 确保计算、存储、电源管理和数据传输的需求得到平衡. 光电异质融合集成技术能够突破传统电路的带宽限制, 提供更高效、稳定的数据传输通道. 光电异质集成技术通过光与电的结合, 使得不同类型的器件(如光电子、射频电子等)能够在同一芯片上高效协同工作, 能在数据传输和处理过程中提供更高效的计算和传输能力, 极大提升系统集成度.

其次, 如何运用新材料实现高性能的存储器、数据传输器件、电源管理器同样尤为重要. 其中, 高效能存储技术的需求尤为迫切. 这些新型存储器不仅需要更高的存储密度, 还应能够实现更快速的读写操作, 以支撑海量数据的实时处理和快速访问. 对于大规模数据分析和人工智能训练等高强度计算任务, 传统存储计算分离架构成为了性能瓶颈. 新型材料实现存算一体技术不仅能提升存储密度, 还能提高数据流动效率, 减少数据存取延迟, 从而提升整体性能. 随着算力的增加, 功耗问题日益严重, 高效的电源管理是计算系统效率提升的关键因素之一. 尤其在数据中心和云计算平台等场景中, 高效电源管理技术尤为重要. 宽禁带半导体功率电子器件和低功耗设计能够有效降低能耗并延长硬件的寿命.

此外, 通过新型器件的异质集成新技术实现更高效、更紧凑的极大规模极限微缩系统也非常重要. 超越摩尔定律的进程还致力于在极小空间内集成传感器、射频器件、功率器件和处理器等多种功能, 通过系统级优化提高整体性能. 新型信息器件的异质集成技术为实现更高效、更紧凑的计算和通信系统提供了新的可能性.

本文从超越摩尔时代的半导体新材料–新器件–新架构多层次分析了超越摩尔时代的集成新路径与新技术领域, 如图2所示. 同时, 提出了多元异质体系极限微缩与极大规模集成规律是超越摩尔时代的关键, 并提出了“多域多场异质集成技术”的新发展路径. 该技术旨在通过多领域、多物理场的协同创新, 将不同材料、不同功能、不同工艺的器件集成在同一芯片或系统中, 突破传统集成电路在材料、器件和架构上的瓶颈, 推动开展高性能、新功能、新机制、新应用为牵引的新材料/新器件/新架构融合研究, 以支撑超越摩尔时代半导体领域的持续发展, 为半导体集成新路径与新技术中国发展路线图绘制奠定了基础.

具体研究现状与发展趋势分析如下：

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主要作者简介

张荣，中国科学院院士，国家杰出青年基金获得者，国家自然科学基金创新群体、科技部重点领域创新团队负责人。曾入选教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，任国家“973”计划首席科学家，现任厦门大学党委书记、国家集成电路产教融合创新平台主任，长期致力于半导体新材料、器件和物理研究，是我国最早从事宽禁带半导体研究的科学家之一。曾获国家技术发明二等奖、国家自然科学二等奖、国家技术发明三等奖各1项、何梁何利科学与技术进步奖、省部级科技一等奖5项。

刘明，复旦大学芯片与系统前沿技术研究院院长，集成芯片与系统全国重点实验室主任，中国科学院院士，IEEE Fellow、发展中国家科学院院士，中国科学院微电子研究所研究员、博士生导师，中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室主任，国家重大基础研究计划项目首席科学家，2008年国家杰出青年基金获得者，国家自然基金委创新群体负责人，国家2017年度何梁何利奖，入选国家百千万人才工程和科技北京百名领军人才培养工程。曾获得国家自然科学二等奖1项、国家技术发明奖二等奖 3 项、国家科技进步二等奖 1 项等奖项。

祝宁华，中国科学院院士，现任南开大学智能光子研究院院长。专注于微波光子器件与技术，在高速激光器芯片、模块及光电融合集成领域取得显著成果。作为第一完成人荣获国家技术发明二等奖两项，获省部级一等奖五项，以及光华工程科技奖和中国科学院杰出成就奖（个人）等奖项。发表论文300余篇，出版著作三部，获授权发明专利200余项。主持国家重点研发计划等数十项国家级项目，曾任国家863计划微电子与光电子主题专家及国家重点专项专家组组长。

A new path and novel technology for integration beyond the Moore era — review of the 393rd “Shuangqing Forum"  Get Permission

Rong ZHANG1,2,3,*, Ming LIU4, Ninghua ZHU5, Hua TANG6,*, Ke LIU6

https://doi.org/10.1360/SSI-2025-0056

重要通知：年度国际第三代半导体产业盛会——第十一届国际第三代半导体论坛& 第二十二届中国国际半导体照明论坛（IFWS&SSLCHINA2025）将于11月12-14日在厦门召开。论坛全新升级，数十场前沿主题论坛，2025先进半导体技术应用创新展(CASTAS 2025) 、青年论坛、校友会、City walk等等，还将启动"2025年度中国第三代半导体技术和产业十大进展"征集与评选，瞄准第三代半导体领域前沿技术研究和标志性成果，最终结果令人期待。论坛长期与IEEE合作，投稿的录取论文会被遴选在IEEE Xplore电子图书馆发表。论坛组委会诚邀海内外第三代半导体产、学、研、用、资不同环节的业界同仁，11月相聚美丽温暖的鹭岛厦门，共探产业发展“芯”机会，共创产业发展新未来。

邀请函 | 2025先进半导体技术应用创新展(CASTAS)邀您11月相聚厦门！