国内RF EDAソフトウェアに画期的な進歩！中国科学院院士の毛俊発氏が、半導体ヘテロ集積回路の方向性とブレークスルーの道筋について語る。

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2022-03-17 286

6月9日、2021年世界半導体会議および南京国際半導体博覧会において、中国科学院院士、党委員会常務委員、上海交通大学副学長の毛俊発氏は、集積回路は国家戦略需要産業であると述べた。2020年、中国は3500億ドル相当の集積回路を輸入した（同年の石油輸入額は1760億ドル）。我が国のハイエンドチップは基本的に輸入に依存している。

写真：毛俊発（中国科学院院士、党委員会常務委員、上海交通大学副学長）

彼は中国の集積回路が遅れている理由として、具体的に3つの点を指摘した。1. EDAが遅れている。現段階では多くの研究アルゴリズムが存在するが、それらは非常に分散しており、計画、統合、形成能力がない。大規模なソフトウェアエンジニアリング能力が弱く、経験も乏しく、ユーザーは国内のソフトウェアツールを使いたがる。2. 設備が遅れている。これは主に総合的な能力や市場環境などの要因による。3. デバイスや回路が遅れており、性能材料も遅れている。また、プロセスの精度と安定性が不十分である。

今や、お金があっても集積回路を買うことはできない。2020年5月、米国商務省はファーウェイによる米国技術を用いた半導体製品の購入に対する包括的な規制を発表し、2021年4月には、米国の議員らが14nm以下のすべての中国製半導体企業に対する輸出規制を提案した。

現在、チップの開発には主に2つの方向性があります。1つはムーアの法則を継続すること、もう1つはムーアの法則から逸脱することです。ムーアの法則については誰もがよく知っています。現在、私たちは物理的な限界、技術的な手段、そして経済的なコストなど、いくつかの課題に直面しています。経済的な側面だけを計算すると、あまりにも複雑です。ムーアの法則を回避する方法は数多くあります。毛俊発院士は、その1つがヘテロジニアス集積回路であると考えています。

半導体ヘテロジニアス集積回路は、中国製チップが様々な分野で追い抜くための可能性のある道筋の一つとなるだろう。

毛俊発院士は、半導体ヘテロ集積回路は、異なるプロセスノードの高性能化合物半導体デバイスまたはチップとシリコンベースの低コスト高集積デバイス（どちらも光電子デバイスまたはチップを含む）をチップに統合し、ヘテロ接合合成または外部成長によって受動部品またはアンテナと統合することによって実現されると述べた。毛院士は、ヘテロ集積回路には優れた特徴があると指摘した。第一に、異なる半導体材料、プロセス、構造、および部品またはチップの利点を統合できること。第二に、システム設計の概念を採用していること。第三に、IPや小型チップなどの先進技術を適用していること。2.5Dまたは3Dの高密度構造を持っていること。ヘテロ集積回路には明らかな利点がある。第一に、強力で複雑な機能、優れた総合性能を実現し、単一の半導体プロセスの性能限界を突破できること。第二に、柔軟性が高く、信頼性が高く、研究開発サイクルが短いこと。第三に、3次元統合により小型化と軽量化を実現できること。半導体装置の要件が比較的低く、EUVリソグラフィ装置に制限されないこと。

彼は特にミリ波ヘテロジニアス集積回路を紹介した。「ミリ波は30Gから300Gまでの周波数帯です。広帯域幅と小型デバイスを備えているため、世界の半導体ヘテロジニアス集積回路の開発における重要な方向性でもあります。3つの主要な市場プレーヤーにとって、ヘテロジニアス集積回路の需要がより緊急である3つの特別な理由があります。第一に、5Gや6Gから航空宇宙航行、無人運転やインテリジェントまで、多くのニーズを満たすためです。ミリ波技術は機器からモノのインターネットまで必要とされています。第二に、ミリ波システムにはデジタル回路、アナログ回路、無線周波数マイクロ波回路が含まれているため、ヘテロジニアス統合がより緊急です。第三に、ミリ波ヘテロジニアスが直面する課題と問題はより深刻で複雑です。高周波と分布パラメータのため、「道」から「現場」へと進化しています。モジュール間の距離はわずかマイクロ秒で、結合が密であるため、設計プロセスがより複雑になります。

毛俊発院士は、半導体ヘテロ集積回路の研究の科学的意義は大きいと指摘した。集積回路を通して、現在の単一ホモジニアスプロセスから複数のヘテロジニアスプロセスの統合へ、現在の2次元平面集積から3次元集積へ、そしてトップダウンからボトムアップへと発展させ、高性能な複雑システムを実現できる。その価値は、第一に電子システム集積技術の発展における新たな道筋であり、第二にムーアの法則後の時代における集積回路発展の新たな方向性であり、そして最後に、我が国の半導体集積回路が新たな方向転換を図り、発展の軌道を転換する新たな機会となる。

米国は、異種集積回路を用いることで、電力システムの性能を10倍向上させ、検出能力と速度を100倍に高め、サイズ、重量、消費電力を現在のレベルの100分の1に削減できると期待している。

国内RF EDAソフトウェアの画期的な進歩が大きな成果を達成

設計はRF産業チェーンの源であり、RF電子設計自動化（EDA）ソフトウェアはRF回路設計を可能にするものであり、RF産業の重要な礎石です。この会議で、中国科学院院士の毛俊発氏は、中国が独自に制御可能なRF回路EDAソフトウェアを緊急に必要としていることに応え、中国科学院院士で上海交通大学副学長の毛俊発氏と呉林生教授の研究チームが独自に開発した完全なRF EDAシミュレーションソフトウェア一式を開発し、市場に投入したところ、中国の大学でトップ10の科学技術金メダルを獲得したと述べました。2020年には、毛俊発氏の研究チームが別の国家6G無線周波数フロントエンドプロジェクトを獲得しました。

毛俊発院士は、自身のチームと呉林生教授の研究チームが新和半導体技術（上海）有限公司と協力し、国家973計画、国家自然科学基金、国家重点プロジェクト、上海市科学技術委員会科学研究計画プロジェクトなどの支援を受けて、効率的な電磁気およびマルチフィジックスシミュレーションモデリングアルゴリズムを提案し、マルチフィジックスおよびマルチ機能の自動協調設計デバイスを実現するシミュレーションソフトウェアを独自に開発したと述べた。上記の成果に基づき、集積受動デバイスの知的財産（IP）ライブラリを共同で構築し、さまざまな製品を開発してきた。これらの製品は、移動体通信、衛星通信、集積回路など多くの分野で普及・応用されており、中国が無線周波数EDAソフトウェアの分野で国際的な封鎖を打破する上で重要な貢献を果たしている。

毛院士によると、彼らは新和半導体技術（上海）有限公司と協力し、合計48種類の国内RF EDA商用ソフトウェアツールと500種類の高精度PDKモデルをリリースした。さらに、SMICのプロセスと互換性のある統合受動デバイスIPライブラリは3億5000万個量産され、受動RF集積回路EDAツールの独立制御をほぼ実現した。現在、共同開発されたこの一連の国内RF EDA商用ソフトウェアは、半導体、航空宇宙、レーダー、通信、自動車などの業界の200社の顧客に利用されている。システムユーザーには、ZTE、Huawei、Lenovo、Foxconn、Hualan、China Electronics、AVICなどの多くの企業が含まれており、Cisco、Intel、IBM、Appleなどの国際的に有名な企業にも輸出されている。

毛俊発院士はまた、4Dジェスチャー認識レーダー、ミリ波レーダーマイクロホン、生体ミリ波レーダー、Wi-Fiバンドヘテロジニアス集積オンチップレーダー、および多層BCB技術に基づくシングル/ダブルパスバンドフィルタにおける最新の進歩についても発表した。

彼は最後に、今後 5 年間の研究目標は、モデル逆構築や多機能多目的コラボレーション技術などの EDA 技術やソフトウェアを含むコア技術に向けられていると述べた。このソフトウェアは、3 層および 6 チップのヘテロジニアス集積回路を解析および設計でき、325GHz まで検証可能である。これらの技術のブレークスルーは、将来、移動体通信、モノのインターネット、レーダー探知などの主要な新しい国家インフラや重要な機器の開発に独立したコア技術サポートを提供するだろう。今後 10 年間の研究目標には、より困難な光電子工学と電子工学の統合が含まれる。また、ヘテロジニアス成長プロセスを突破し、ソフトウェアを完全に商用化したいと考えている。

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