异构集成正成为后摩尔时代半导体技术发展的重要方向，并可能在未来30年内成为系统级芯片的主流技术，推动集成电路迈入异构集成时代。然而，异构集成要打破集成电路传统的“道路”思维，仍有很长的路要走。

绕过摩尔定律的重要方法

我们目前正处于数字经济蓬勃发展的时代，高性能计算、云计算、虚拟化和大数据分析等应用正在迅速发展。这一系列应用场景也将给处理器带来巨大的工作负载，需要强大的计算能力作为支撑。

AMD全球高级副总裁兼大中华区总裁潘晓明表示，在半导体设计的黄金时代，人们可以通过技术进步降低每个晶体管的成本，同时提升性能。然而，每进入一个新的制程节点，都需要更长的时间来确保工艺的成熟和稳定性，而且新工艺的成本也显著增加。这给人们带来了新的挑战，我们需要在其他方面探索更多创新，以进一步提升处理器的性能和计算能力。异构集成正成为提升芯片计算能力的重要发展方向。

那么，什么是异构集成呢？英特尔研究院副总裁兼英特尔中国研究院院长宋继强指出，异构集成是将具有不同工艺架构、不同指令集和不同功能的硬件集成到一个计算系统中。同时，异构集成也是芯片、封装、系统和软件之间的协同作用。它并非单一的技术点，而是多个技术点的综合，涉及器件、设计、软件算法等的集成，最终实现高效的异构系统。

摩尔定律实际上已经成为半导体行业的旗帜，但人们必须摆脱对工艺节点缩小的痴迷，才能促进半导体技术的持续发展。 

对此，中国科学院院士毛俊发指出，目前半导体技术的发展主要有两条路径：一是延续摩尔定律，二是绕开摩尔定律。当延续摩尔定律面临物理原理、技术手段和经济成本等一系列严峻挑战时，绕开摩尔定律便成为一种可行的发展路径。异构集成电路正是绕过摩尔定律的重要途径之一。

毛俊发强调，研究半导体异质集成具有重要的科学意义。通过集成电路，集成电路可以从目前单一的同质工艺发展到多种异质工艺的集成，从目前的二维平面集成发展到三维集成，从而实现高性能复杂系统。异质集成的特点十分突出。首先，它可以集成不同的半导体材料、工艺、结构和组件；其次，它采用了系统化的设计理念；第三，它应用了IP和芯片等先进技术，具有2.5维或三维高密度结构。因此，异质集成芯片可以实现强大而复杂的功能，突破单一半导体工艺的性能极限；同时，它们还具有很强的灵活性、高可靠性、研发周期短，并且可以实现小型化和轻量化。

主要国际制造商已推出异构集成技术

由于这些优势，异构集成已成为后摩尔时代半导体技术发展的主要路径，越来越多的主流厂商对其给予高度重视。在今年的台北国际电脑展（Computex）上，AMD发布了实验性产品Ryzen 5000，该产品采用台积电的3D Fabric先进封装技术，成功地将包含64MB L3缓存的芯片组与处理器封装在3D堆叠结构中。据AMD称，该技术可将2D芯片的互连密度提升200倍以上，与现有3D封装方案相比，互连密度也可提升15倍以上。

基于异构集成技术的发展，英特尔提出了XPU的概念。宋继强表示：“对于英特尔而言，我们通过不同架构XPU的异构集成以及统一的跨架构编程模型oneAPI，推动异构计算的创新，实现软硬件协同，以满足更多工作负载需求，实现更高能效，帮助客户降低成本，并根据需求快速提供解决方案。”

在去年的“架构日”上，英特尔推出了基于 EMIB（嵌入式多芯片互连桥）2D 封装、Foveros 3D 封装以及结合 2D 和 3D 的 CO-EMIB 技术的混合键合技术。该技术通过电气连接获得更高的载流能力，加速实现 10 微米及以下的凸点间距，从而为异构介质带来更高的互连密度、带宽和更低的功耗。

不仅英特尔和AMD，包括英伟达、高通、赛灵思等在内的众多国际领先芯片厂商也高度重视异构集成技术。国内方面，紫光展锐、北京英科、维密微等公司也在积极开展异构集成技术的研究与开发，并推出相关产品和解决方案。紫光展锐新推出的唐古拉T770集成了4核ARM A76、4核ARM A55、Mali-G57 GPU和基带芯片等，是异构集成技术的典型应用。

需要打破传统的“道路”思维模式

尽管异构集成的发展前景非常广阔，但实现起来却并非易事。毛俊发强调，由于不同特性和功能的介质之间紧密耦合且常常相互冲突，因此在设计异构电路时，必须解决有源/无源电路天线和数字/模拟电路的电磁-热-应力、多物理场协同设计以及多功能协同设计等问题。在工艺制造方面，异构集成工艺参数的调整也会受到电、热、应力等多物理场特性的影响，需要理解它们之间的内在联系，并掌握工艺的定量设计和优化机制。

宋继强也认为，异构集成在硬件层面需要突破单一架构的局限，而集成多种架构的XPU架构将成为主流。XPU架构的诞生对软件提出了更高的要求，因为能够同时掌握多种架构编程语言的开发者十分稀缺，而软件又是释放硬件性能的关键环节。因此，能够跨架构编程的软件模型以及能够提升编程效率的工具至关重要。

英特尔提出了六大技术支柱，它们在XPU的实现中发挥了关键作用，包括制程、架构、内存、互连、安全和软件。尽管异构计算看似属于硬件层面，但要充分发挥其潜力，需要先将芯片、系统和软件进行整合。首先是芯片层，指的是芯片封装内部的异构性，与“小芯片”的概念密切相关；其次是系统层，指的是多功能、多架构计算架构的集成；第三是软件层，即统一的跨架构编程模型oneAPI，它通过一套软件接口和一套函数库，为开发者提供了在不同架构上进行编程的便利。

面对异构集成的发展，毛俊发提出了一个总体研究思路，即打破集成电路传统的“道路”思维，基于耦合多物理场理论，以异构集成能力的形成为指导，结合场和道路，引领半导体异构集成电路的技术方向。

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