創(chuàng)“芯”廣東 提升半導體產業(yè)研發(fā)制造能力
——專訪廣東省半導體產業(yè)技術研究院胡川博士

文/劉啟強

【導讀】

廣東省半導體產業(yè)技術研究院（以下簡稱半導體研究院或研究院）是廣東省科學院旗下的一家半導體技術領域的主體研究機構。自2016年正式注冊成立以來，研究院集聚了來自全球知名高校、科研機構和頂尖半導體企業(yè)的高層次學科帶頭人，在第三代半導體材料、新型顯示器件等領域開展了一系列研發(fā)創(chuàng)新，取得了國際領先的技術成果。近日，本刊記者專程采訪了研究院引進的學科帶頭人，曾在全球頂尖半導體公司Intel擔任研究員十多年的胡川博士，對胡博士立足廣東打造異構集成技術開發(fā)高端平臺，提升我國半導體產業(yè)研發(fā)制造能力的相關工作進行了探訪。

躋身Intel核心部門 聚焦半導體領域最前沿研究

《廣東科技》：胡博士，您好，聽說您在國外學習工作了很多年，并在世界最大的半導體公司Intel擔任研究員，請給我們介紹一下您在國外工作學習的相關情況。

胡川：好的。我1988年考入北京大學物理系，并于1995年赴美國德克薩斯大學攻讀博士學位。我的導師是曾獲得美國半導體產業(yè)協會（SIA）最高獎的何兆中（Paul Ho）教授。在他的影響和指導下，我在完成物理學博士學位論文的同時，還學習了5個工程系的10門課程，由此開始了我的交叉學科學術生涯。2000年博士畢業(yè)后，我去了美國Intel公司，進入基礎材料研究所（Components Research）工作。這個研究所是由Intel最資深、最核心的研究人員組成（比如現在的首席技術官（CTO ）Mayberry 博士），主要開展半導體領域最前沿的基礎材料、制程工藝的研發(fā)工作。我是該部門迄今為止唯一招募的中國籍研究員。

在Intel期間，我一方面從事Intel內部的研究，與全球上百家設備、材料供應商一起研發(fā)6年后可能在Intel能夠量產的工藝，并從可制造性、可靠性、性能、價格等綜合因素開展原創(chuàng)性研究。從2001年開始研發(fā)32nm工藝的解決方案，到2014年我離開Intel的時候，已經開始了5nm以下代次研發(fā)。另一方面，我還負責參與管理和指導了幾十個大學項目，并協調整合產業(yè)、政府和研究院校的相關資源。

《廣東科技》：在美國，半導體產業(yè)與高校間的項目，也就是我們說的產學研項目，是以什么方式開展的呢？

2018年，研究院承辦廣東省第三代半導體發(fā)展戰(zhàn)略論壇，圖為參加論壇的嘉賓。

胡川：美國半導體產業(yè)的產學研項目主要有兩種：第一種是美國半導體協會下屬的非營利組織半導體研究公司（Semiconductor Research Corporation，SRC ）資助的項目。SRC公司目前已擴展到全球成為最大的半導體企業(yè)，它是政府和企業(yè)合作的聯合研發(fā)團體，由它資助的合作項目的成果、專利將會被用來共享（我本人的博士研究也是這個機構資助的）。SRC自1986年成立以來，共培養(yǎng)了超過1萬名的博士，資助的項目主要關注和研究未來4到10年內可能量產的領域。

第二種是美國國防部和半導體企業(yè)通過“焦點中心研究計劃”（ Focus Center Research Program FCRP）資助大學的研究。該計劃資助項目的經費由美國政府和工業(yè)界各出一半，主要研究6～15年以后的焦點領域。麻省理工學院、斯坦福大學、普林斯頓大學、加州大學伯克利分校等知名大學都是該計劃項目的合作伙伴，行業(yè)合作伙伴還包括IBM、Intel、德州儀器等業(yè)內領先企業(yè)。我在2002～2012年擔任這個計劃項目的Intel導師。目前該計劃資助的相關項目已演化為電子“文藝復興”等一系列的方向，包括量子計算、異構集成等未來的重大和主要發(fā)展方向都是從這里開始。

回國創(chuàng)業(yè) 繼續(xù)從事半導體產業(yè)創(chuàng)新

《廣東科技》：據了解，您回國后還是在半導體行業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，可以說對這個行業(yè)是非常熟悉的，想聽聽您對國際半導體產業(yè)現狀的解讀。

胡川：是的，回國后我就自己創(chuàng)業(yè)，還是做我的老本行。在半導體行業(yè)從業(yè)了近20年，一直聚焦全球產業(yè)最前沿的研究，并全程參與產學研的各個重要環(huán)節(jié)，對芯片從概念到量產的全球研發(fā)制造的完整生態(tài)都比較了解。

從1947年發(fā)明晶體管，1958年發(fā)明集成電路以來，半導體產業(yè)一直在按照行業(yè)自身的發(fā)展規(guī)律前進。1968年，Intel創(chuàng)始人摩爾提出了摩爾定律——每兩年晶體管密度翻一番。這樣一個指數遞增的規(guī)律不可能持續(xù)很久。最初，摩爾本人在1995年認為這個定律在2005年會終結。之后，摩爾定律雖然幾次被延續(xù)，但2016年Intel沒能完成從14nm到10nm產線的升級，意味著嚴格意義上的摩爾定律就此終結。

至此，半導體產業(yè)的增長也就放緩了，因為從10nm到3nm，只有大約10倍（面積）的提升空間；小于3nm后，量子效應非常顯著，會產生很多問題；即使能到1nm，整個產業(yè)依靠晶體管密度的提升也只有100倍的發(fā)展空間。另外，密度的提升也不能直接轉換為計算能力的提升，還要考慮散熱等因素會從可靠性方面限制算力，所以，目前整個產業(yè)都在尋找新的方向。

研究院的研發(fā)大樓

記者與胡川博士（中）合影

當前，半導體產業(yè)界認可的大方向主要是異構集成的方法。簡單來說，在單顆芯片上集成更多的器件越來越難，因為所需的工藝也不一樣，如CPU和DRAM沒法統一優(yōu)化，基材也不同，比如硅（Si）、氮化鎵（GaN）、金剛砂（SiC）等；另外，更多的電子器件和傳感器也需要集成起來以減少尺寸、降低功耗，提升性能和可靠性。這就需要用更先進的方法把不同的器件集成起來。由于在硬件性能提升上變慢，在后摩爾定律時代，半導體產業(yè)的共識是認為產業(yè)會從硬件為中心轉變?yōu)檐浖☉茫橹行?、從通用計算轉變到專用計算，針對不同的算法和應用場景，在硬件上而不是軟件上做相應的調整。

還有一些相對比較細分的領域也有各自的發(fā)展，比如量子計算在密碼學方向、生物接口和傳感在人機交互上、存算一體和光計算在人工智能領域、第三代半導體在功率和射頻領域，納米器件在存儲和計算領域等，都有不少開創(chuàng)性的工作。

《廣東科技》：您覺得廣東芯片產業(yè)發(fā)展得如何？優(yōu)勢和不足有哪些？

胡川：先談談優(yōu)勢吧。廣東省一直是半導體產業(yè)的超大用戶。2018年，我國進口的集成電路在3000億美元左右，其中廣東省占比超過1/3。這么大的規(guī)模優(yōu)勢在全球也是獨一無二的。在國內10大IC設計公司中，廣東省就占3家。這些設計企業(yè)在以應用為主導的半導體產業(yè)中，將是極其重要的驅動力量。

廣東省所處的粵港澳大灣區(qū)是另一個巨大的利好，這里有著充分的人才培育和國際化優(yōu)勢。此外，廣東省的產業(yè)發(fā)展格局具備實現完整的產業(yè)梯度優(yōu)勢，這對半導體產業(yè)的發(fā)展布局極為有利。

不足的地方是，廣東省在半導體產業(yè)發(fā)展上非常不充分。我們知道，國內半導體企業(yè)主要集中在長三角地區(qū)，如集成電路芯片制造的中芯國際、華虹半導體，半導體設備的中微半導體等。當然，這與國家當時的產業(yè)布局息息相關。如今，全國很多城市都在積極培育半導體產業(yè)，如武漢的長江存儲、西安的三星海力士、成都的英特爾、合肥的兆易，等等，這些體量相對較大的半導體企業(yè)都為當地的經濟發(fā)展與科技創(chuàng)新提供了核“芯”支撐。雖然深圳中芯8英寸線已經投產，廣州粵芯12英寸線也逐步開始量產，但相對長三角地區(qū)，廣東的起點和體量還是偏低。另外，雖然廣東有豐富產業(yè)經驗的專家，但在高端制造人才方面，以及在全球視角下的政策生態(tài)方面，都還有很大的發(fā)展空間。

半導體研究院的磁控濺射臺

半導體研究院的小型電子束蒸發(fā)臺

加盟半導體研究院 專注異構集成封裝研究

《廣東科技》：您加入半導體研究院后，主要開展的研究工作和方向是什么？

胡川：我加入半導體研究院主要是從事異構集成封裝的研究工作。半導體器件的異構集成技術是把制程不同、功能各異的多種半導體器件，通過互連線進行連接集成，從而提升集成電路整體性能。這是支撐每年萬億美元規(guī)模的半導體產業(yè)未來發(fā)展最具潛力的關鍵技術之一。我做的工作簡單來說有兩大塊，一個是通過扇出封裝解決X、Y方向的互連，一個是通過3D封裝解決Z方向的互連。

我工作的方向也是兩個：一是用創(chuàng)新的方法把扇出和3D封裝的制造成本極大地降低下來，這樣才能把這個工藝擴展到更大的半導體領域；二是探索比我在Intel做過的扇出和3D封裝更前沿的制造工藝，以推動最前沿的新技術發(fā)展方向。整體上，要實現在后摩爾定律時代新的突破，就需要從廣度（制造成本和相關應用領域）和深度（電學性能可靠性等）上同時推進。

《廣東科技》：那您目前研究工作的進展情況如何？

胡川：省科學院和半導體研究院對我的研究方向給予了高度重視和大力支持，目前，異構集成先進封裝實驗室已基本完成基礎建設，并將在年底投入使用，開展相關研發(fā)工作。我們通過打造異構集成技術開發(fā)的高端研發(fā)平臺，將推動半導產體業(yè)從以硬件為中心轉向以軟件為中心、從通用計算向專用計算轉變。未來，我們將有望形成具有自主知識產權的核心技術，顯著提高我國在半導體產業(yè)的研發(fā)制造能力。

《廣東科技》：對于如何推動廣東半導體產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，很想聽聽您的觀點和建議。

胡川：我們國家在設計、晶圓和封裝的規(guī)模上大致相當，其中，設計的體量最大、成長最快、資金門檻也最低。但光有設計是不夠的，我認為廣東半導體產業(yè)還應大力發(fā)展主流硅器件。雖然，相對于Intel、高通、英偉達等主要國際大廠，我們在工藝和知識產權上落后很多，但半導體產業(yè)經過50年嚴格的摩爾定律后，正處于一個具有很大不確定性的變化期里。在這樣的時代，即使是傳統的主流硅器件領域，也不是一成不變的，會涌現出新的創(chuàng)新主導者。

因此，我個人認為，廣東半導體產業(yè)發(fā)展面臨以下一些領域的機遇：一是能代表未來創(chuàng)新趨勢的領域，如異構集成封裝、納米材料器件等；二是與廣東的產業(yè)結合緊密、有市場保障的領域，如手機和電子產品所需的器件；三是有獨特優(yōu)勢、能夠發(fā)展到細分領域內全球前三的領域，如專用芯片ASIC設計；四是全球競爭上相對不是一家獨大的領域，如第三代半導體和MEMS傳感器等；五是一些相對比較邊緣化的超前領域，如量子計算、生物計算等。

《廣東科技》：那您覺得當前發(fā)展面臨的最大難點是什么？

胡川：首先一個最根本的問題，就是知識產權的培育和保護。雖然在這方面，國內已經有了很大進步，但還需不斷加大力度。因為只有建立起良好的培育和保護機制，社會和政府的資金才會流入到產業(yè)里來，有價值的知識產權創(chuàng)新才能得到資源以持續(xù)發(fā)展。目前，國內的知識產權培育和保護都還不夠，這導致的一個最大問題就是投資創(chuàng)新的回報不夠。

第二個主要的挑戰(zhàn)是人。廣東的人才吸引力很大，但我們需要各個級別、層次的人來參與完成不同環(huán)節(jié)上的工作，所以我們非常需要有國際視野、有產業(yè)經驗的人來主導相關政策的制定與執(zhí)行，來參與產業(yè)的設計和建設，來指導制造的規(guī)劃和實施，來輔導創(chuàng)新的培育和產業(yè)化。

第三個挑戰(zhàn)是政府對創(chuàng)新的持續(xù)投入。創(chuàng)新必然伴隨著風險，尤其是在我們相對落后的半導體產業(yè)，不可能通過短期投資行為來追求短期回報，政府和產業(yè)界要對風險有充分的認識和包容。同時，進一步加大對存量公共研發(fā)平臺的扶持力度，對前期投入已有進展的研究機構進行長期性、持續(xù)性投入。面對創(chuàng)新，要多培育、多包容、多保護，很多好的創(chuàng)意和想法，都需要時間來達成，一定的靈活性和變通性，也有助于產業(yè)的蓬勃發(fā)展。

（本文圖片由受訪者提供）

機構介紹

廣東省半導體產業(yè)技術研究院（以下簡稱研究院）是廣東省科學院下屬的23個骨干研究院所之一，其前身是2010年10月在時任省委書記汪洋同志關懷下成立的廣東半導體照明產業(yè)技術研究院。作為廣東省在半導體技術領域的主體科研機構，研究院建立了材料外延、微納制造、封裝應用、分析測試四大科研平臺，擁有包含MOCVD在內的120多臺/套關鍵設備，總價值上億元，是國內先進半導體材料與器件研究的重要基地，也是國內少數擁有完整半導體工藝鏈且具備產業(yè)技術中試能力的研究平臺之一。此外，研究院是中國有色金屬學會寬禁帶半導體專業(yè)委員會的掛靠單位，該專委會是中國首個第三代半導體領域的專業(yè)委員會，有16位院士出任專委會顧問，專委會委員基本覆蓋了國內第三代半導體領域著名的高校、科研院所和企業(yè)的知名專家，具有廣泛的代表性。研究院還擁有廣東省第三代半導體材料與器件工程技術研究中心、廣東省固態(tài)紫外光源工程技術研究中心、廣東省寬帶半導體材料及器件創(chuàng)新中心等多個省部級創(chuàng)新平臺。

成立以來，研究院立足于廣東省經濟社會發(fā)展的實際需要，聚焦寬禁帶半導體產業(yè)發(fā)展的應用技術研究，兼顧重大技術應用的基礎研究，發(fā)展了以下研究方向：功率電子器件及檢測、新型顯示技術和紫外光電材料與器件等技術研發(fā)；高端半導體照明技術應用與開發(fā)；半導體工藝設備國產化關鍵部件開發(fā);先進集成電路封裝技術；半導體器件溫度表征技術和可靠性技術；集成電路設計技術研究和產品開發(fā)等。

目前，研究院已搭建起較為完善的學科生態(tài)圈，擁有包括來自全球知名高校、科研機構和一流企業(yè)的高層次學科帶頭人，形成了以Intel、Facebook等國際知名企業(yè)核心專家為首的具有國際化研究背景的高水平人才隊伍，在第三代半導體材料、新型顯示器件等領域，研究院均取得了國際領先的技術成果，承擔和參與了國家和省市級科研項目80余項，孵化科技企業(yè)5家，充分發(fā)揮了支撐廣東省半導體產業(yè)發(fā)展的公共開放平臺作用。

隨著粵港澳大灣區(qū)國際科技創(chuàng)新中心建設的加快推進，研究院的研究方向已覆蓋新一代通信、集成電路設計與制造、人工智能、先進光電子與微電子材料器件等多個半導體相關的經濟社會核“芯”技術領域。未來，研究院將緊緊圍繞廣東“一核一帶一區(qū)”和粵港澳大灣區(qū)發(fā)展需要，進一步集聚半導體領域的高端人才，聚焦關鍵核心技術，打造支撐廣東乃至國家戰(zhàn)略的樞紐型高端平臺。