国产射频EDA软件取得突破！中国科学院院士毛俊发谈半导体异质集成电路的发展方向和突破路径

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2022-03-17 287

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、中共中央党委常委、上海交通大学副校长毛军发表示，集成电路是国家战略性需求产业。2020年，中国进口集成电路价值3500亿美元（同年石油进口额为1760亿美元）。我国高端芯片基本依赖进口。

图片：毛俊发，中国科学院院士、中共中央党委常委、上海交通大学副校长

他特别指出中国集成电路发展滞后的原因有三：1. EDA（电子设计自动化）技术落后。现阶段虽然有很多研究算法，但非常分散，缺乏规划、整合和形成能力。大规模软件工程能力薄弱，经验不足，用户倾向于使用国产软件工具；2. 设备落后，主要受整体能力和市场环境等因素影响；3. 器件和电路落后，高性能材料落后，工艺精度和稳定性不足。

现在，即使你有钱，也买不到集成电路。2020年5月，美国商务部宣布全面限制华为购买采用美国技术生产的半导体产品；2021年4月，美国国会议员提议对所有14纳米以下制程的中国芯片公司实施出口管制。

目前芯片发展主要有两条路径：一是延续摩尔定律，二是偏离摩尔定律。摩尔定律众所周知。如今我们面临着诸多挑战，包括物理极限的挑战、技术手段的挑战以及经济成本的挑战。单是经济成本的计算就非常庞大。绕过摩尔定律的方法有很多。毛俊发院士认为，异构集成电路就是其中之一。

半导体异构集成电路将是中国芯片在某些领域超越竞争对手的可能途径之一。

毛俊发院士指出，半导体异质集成电路是将不同工艺节点的高性能化合物半导体器件或芯片与低成本、高集成度的硅基器件（包括光电器件或芯片）集成到芯片中，并通过异质键合合成或外部生长等方式与无源元件或天线集成而成。毛院士强调，异质集成电路具有以下显著特点：首先，它可以整合不同半导体材料、工艺、结构和元件或芯片的优势；其次，它采用了系统化设计理念；第三，它应用了IP和小型芯片等先进技术，并具有2.5D或3D高密度结构。异质集成电路还具有以下显著优势：首先，它可以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；其次，它具有很高的灵活性、可靠性和较短的研发周期；第三，三维集成可以实现小型化和轻量化；对半导体设备的要求相对较低，不受极紫外光刻机的限制。

他重点介绍了毫米波异构集成电路。“毫米波是30GHz到300GHz的频段，具有宽带宽和小型化的特点，因此也是全球半导体异构集成电路发展的关键方向。三大市场参与者对异构集成电路的需求尤为迫切，原因有三：首先，从5G、6G到航空航天导航、无人驾驶和智能化等诸多领域，毫米波技术在从设备到物联网的各个方面都至关重要；其次，毫米波系统包含数字电路、模拟电路和射频微波电路，因此异构集成更为迫切；第三，毫米波异构化面临的挑战和问题更加严峻复杂。由于其高频特性和分布式参数，毫米波技术的发展方向是从‘道路’向‘场’转变；模块之间的距离仅为微秒级，耦合紧密，使得设计过程更加复杂。”

毛俊发院士指出，研究半导体异质集成电路具有重要的科学意义。通过集成电路，我们可以从目前单一的同质工艺发展到多异质工艺的集成，从目前的二维平面集成发展到三维集成，从自上而下发展到自下而上，从而实现高性能复杂系统的构建。其价值首先在于为电子系统集成技术的发展开辟了一条新途径；其次在于为后摩尔时代集成电路的发展指明了新的方向；最后，也为我国半导体集成电路技术转型升级提供了新的契机。

美国希望通过异构集成电路，将电力系统的性能提高 10 倍，检测能力和速度提高 100 倍，并将尺寸、重量和功耗降低到当前水平的 1/100。

国内射频EDA软件突破取得显著成果

设计是射频产业链的源泉，而射频电子设计自动化（EDA）软件是射频电路设计的推动者，也是射频产业的重要基石。本次大会上，毛俊发院士表示，针对国内对自主可控射频电路EDA软件的迫切需求，毛俊发院士、上海交通大学副校长毛俊发与吴林生教授的研究团队自主研发了一整套射频EDA仿真软件并推向市场，荣获全国高校十大科技金奖。2020年，毛俊发研究团队又中标国家6G射频前端项目。

毛俊发院士表示，他所在的团队与吴林生教授的研究团队，携手上海新和半导体技术有限公司，在国家“973计划”、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项目的支持下，提出了高效的电磁多物理场仿真建模算法，并自主研发了仿真软件，实现了器件的多物理场、多功能自动化协同设计。基于上述成果，他们共同建立了集成无源器件的知识产权库，并开发了多种产品。这些产品已在移动通信、卫星通信、集成电路等多个领域得到推广应用，为中国打破射频EDA软件领域的国际封锁做出了重要贡献。

据毛院士介绍，他们与上海新和半导体技术有限公司合作，共发布了48款国产射频EDA商用软件工具和500款高精度PDK模型。此外，他们与中芯国际工艺兼容的集成无源器件IP库已量产350亿片，基本实现了对无源射频集成电路EDA工具的独立控制。目前，这一系列联合开发的国产射频EDA商用软件已被半导体、航空航天、雷达、通信、汽车等行业的200家客户采用。系统用户包括中兴、华为、联想、富士康、华蓝、中国电子、中航工业等众多企业，并已出口到思科、英特尔、IBM、苹果等国际知名公司。

毛俊发院士还分享了4D手势识别雷达、毫米波雷达麦克风、生物毫米波雷达、Wi频段异构集成片上雷达以及基于多层BCB技术的单/双通带滤波器等领域的最新进展。

他最后表示，未来五年的研究目标将集中于核心技术，包括EDA技术和软件，例如模型逆向构建和多性能多功能协同技术。该软件能够分析和设计三层六芯片异构集成电路，并可验证至325GHz频率。这些技术的突破将为未来国家重大新型基础设施和重要装备（如移动通信、物联网和雷达探测）的研发提供独立的核心技术支持。未来十年的研究目标包括光电子和电子技术的融合，这更具挑战性。我们也希望突破异构增长瓶颈，实现软件的全面商业化。

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