中国集成电路与光电芯片2035发展战略

总序　i

前言　vii

摘要　xi

Abstract　xiii

绪论　1

第一节　科学意义和战略价值　1

第二节　产业发展规律与特点　4

第三节　发展现状与挑战　6

第四节　发展趋势与本书安排　9

第一章　先进 CMOS器件与工艺　12

第一节　科学意义与战略价值　12

第二节　技术创新与挑战　13

一、堆叠纳米线/纳米片环栅晶体管器件　13

二、3D垂直集成器件　18

三、新机制、新材料半导体器件　21

第三节　工艺技术创新与挑战　23

一、光刻领域技术发展与挑战　23

二、器件互连寄生问题与挑战　27

三、器件可靠性与挑战　31

第四节　协同优化设计　35

一、DTCO技术发展现状及形成　35

二、DTCO关键技术和发展方向　36

第二章　FD-SOI技术　38

第一节　科学意义与战略价值　38

第二节　技术比较　39

第三节　技术现状　40

一、FD-SOI技术产业链　41

二、先进工艺厂商对FD-SOI工艺技术的推进　41

三、FD-SOI技术的应用领域　42

第四节　技术发展方向　44

一、应变SOI　44

二、绝缘层上的锗硅（SiGeOI）　44

三、绝缘层上的锗（GeOI）　45

四、绝缘体上的Ⅲ-Ⅴ族半导体（Ⅲ-Ⅴ族OI）　45

五、XOI　46

六、万能离子刀技术　46

第五节　技术路线与对策　47

第三章　半导体存储器技术　49

第一节　存储器概述　49

一、半导体存储器产业发展现状　49

二、DRAM技术及发展趋势　52

三、Flash技术及发展趋势　54

四、面临的问题与挑战　57

第二节　新型存储器技术　59

一、阻变式存储器　59

二、磁性随机存取存储器　63

三、相变存储器　68

四、铁电存储器　73

第三节　总结与展望　77

一、DRAM发展展望　79

二、Flash发展展望　80

三、RRAM发展展望　81

四、MRAM发展展望　81

五、PCM发展展望　82

六、铁电存储器发展展望　82

第四章　集成电路设计　84

第一节　科学意义与战略价值　84

第二节　通用处理器　85

一、重要意义及发展现状　85

二、处理器关键技术及展望　86

三、技术展望　88

四、技术及产业发展建议　89

第三节　智能处理器　89

一、战略地位与发展规律　89

二、发展现状与特点　90

三、智能处理器发展与展望　93

第四节　FPGA及可重构计算芯片　93

一、战略地位　93

二、发展规律与研究特点　94

三、发展现状　96

四、发展展望　97

第五节　模拟前端及数据转换器　98

一、战略意义与发展规律　98

二、发展现状和研究特点　100

三、发展展望　102

第六节　射频集成电路　103

一、战略地位　103

二、发展规律与研究特点　104

三、发展现状与技术趋势　105

四、发展布局　106

第七节　图像传感器及探测器　107

一、战略地位　107

二、发展规律与研究特点　108

三、发展现状　108

四、发展展望　109

第五章　集成电路设计自动化　112

第一节　科学意义与战略价值　112

第二节　前沿领域的现状及其形成　113

第三节　关键科学与技术问题　119

一、面向大规模复杂数字系统的形式验证、逻辑综合方法　119

二、电子设计的关键环节从自动化迈向智能化　120

三、设计复用问题　121

四、高速数字系统的信号完整性仿真方法　122

五、模拟集成电路设计与优化方法　123

六、模拟电路物理布局布线方法　124

七、纳米尺度器件物理机制模拟仿真　125

八、新型存储器的存储与输运模型建模　126

九、器件-电路-系统的协同设计方法学　126

第四节　发展建议　127

第六章　跨维度异质集成　129

第一节　科学意义与战略价值　129

第二节　技术现状分析　130

一、发展路径　130

二、研究现状　131

三、国际竞争力评估　134

四、发展趋势　135

第三节　关键科学问题、技术问题　136

一、关键科学问题　136

二、关键技术问题　139

第四节　发展措施与建议　143

第七章　先进封装技术　145

第一节　科学意义与战略价值　145

一、半导体产业演变与驱动　145

二、先进封装技术的演变　146

第二节　芯片封装互连技术　146

一、芯片封装键合技术　146

二、芯片封装底部填充技术　150

三、高密度芯片封装键合技术的挑战　152

第三节　典型先进封装技术　154

一、先进封装技术　154

二、WLCSP技术　154

三、2.5D Interposer封装技术　156

四、3D IC集成封装技术　157

五、扇出封装技术　158

第四节　先进封装技术总结与思考　163

第八章　人工智能理论、器件与芯片　165

第一节　技术战略地位　165

第二节　理论、器件与芯片的发展历程　168

一、人工智能理论与技术　168

二、人工智能器件　173

三、人工智能芯片　180

第三节　发展建议　188

第九章　碳基芯片　189

第一节　研究背景　189

第二节　碳基晶体管　190

一、碳纳米管无掺杂CMOS器件技术　190

二、碳纳米管晶体管的微缩　191

三、碳纳米管鳍式场效应晶体管　192

四、石墨烯基晶体管　193

第三节　碳基集成电路及其应用　194

一、碳纳米管 CPU　194

二、碳纳米管高速电路　195

三、碳基3D集成电路　195

四、碳基柔性集成电路　196

五、碳纳米管存储器　197

六、石墨烯集成电路　197

第四节　前景与挑战　198

第十章　（超）宽禁带半导体器件和芯片　200

第一节　科学意义与战略价值　200

第二节　技术现状与发展态势　202

一、宽禁带半导体发展历程及态势　202

二、（超）宽禁带半导体发展历程及态势　211

第三节　需进一步解决的难题　225

一、低缺陷、大尺寸（超）宽禁带半导体材料外延生长技术　225

二、（超）宽禁带半导体高性能器件关键技术　226

三、（超）宽禁带半导体芯片集成与应用　226

第四节　科学问题与发展建议　227

一、（超）宽禁带半导体材料高质量大尺寸外延生长技术　227

二、（超）宽禁带半导体微波功率器件设计与工艺技术　228

三、（超）宽禁带半导体高端电力电子器件设计与制备技术　229

四、（超）宽禁带半导体固态微波/毫米波芯片设计关键技术　230

五、（超）宽禁带半导体光电器件与探测器件技术　230

六、前瞻布局（超）宽禁带半导体新型应用技术　231

第十一章　量子芯片　232

第一节　战略地位　232

第二节　国内外进展　234

一、国外进展　234

二、国内进展　237

第三节　发展规律与研究特点　237

第四节　发展建议　239

一、加强量子芯片材料研究　239

二、部署硅基量子比特的构造和调控研究　243

三、量子比特扩展与集成　245

四、低温电子学与测控电路研究　250

第五节　预期目标　253

第十二章　柔性电子芯片　255

第一节　科学意义与战略价值　255

第二节　前沿领域的形成及其现状　256

一、国外研究现状　257

二、国内研究现状　258

三、发展趋势　258

第三节　关键科学问题与技术发展路线　259

一、关键科学和技术问题　259

二、发展思路与目标　261

第十三章　混合光子集成技术　264

第一节　研究范畴和基本内涵　265

第二节　研究的重要性　268

第三节　国内外发展现状　270

第四节　关键技术问题　275

第五节　发展建议　279

一、建设高标准产学研创新性的混合光子集成平台　280

二、建立系统性的项目资助体系，保障混合光子集成的发展　280

三、支持光子连接研究，培育混合光电子集成封装技术平台　281

第十四章　硅基光电子集成技术　282

第一节　战略地位　282

第二节　发展规律与研究特点　283

第三节　技术现状　285

一、国外发展现状　286

二、国内发展现状　289

第四节　发展建议　290

一、硅基发光及光源　290

二、硅光波导及器件　295

第十五章　微波光子芯片与集成　313

第一节　战略地位　313

第二节　发展规律与研究特点　315

一、面临的主要科学与技术问题　315

二、未来发展趋势　316

第三节　国内外发展现状　317

一、微波光子单元器件发展现状　318

二、国外系统与应用发展现状　323

三、我国发展现状　324

第四节　发展布局建议　327

一、单元器件级　327

二、集成芯片级　328

三、系统与应用　329

四、基础技术链条平台能力　330

第十六章　光电融合与集成技术　331

第一节　技术简述　331

一、光电子与微电子的关系　332

二、光电子与微电子技术的优势　332

三、光电融合的重要内容　333

四、研究状况与发展战略　334

第二节　集成技术发展历程　335

一、微电子技术发展历程及启示　335

二、光电子集成技术发展的历程　336

三、光电子集成技术的瓶颈与发展趋势　337

第三节　光电子集成的关键技术　340

一、集成材料的特性及制备工艺　340

二、光电融合建模仿真　342

三、表征与测试　343

四、CMOS工艺兼容的集成芯片技术　343

五、多功能集成技术　346

六、光互连存储网络技术　350

七、硅基光源技术　351

八、微波光子光电融合技术　355

第四节　技术优势分析　356

一、超大容量光通信芯片与模块集成技术　356

二、稳时稳相传输技术　358

三、光电融合与集成技术的优势分析　360

四、新型光计算技术　360

五、光电融合显著提升系统性能　361

第五节　发展趋势与展望　363

第十七章　光子智能芯片技术　365

第一节　战略形势研判　365

第二节　关键科学问题和重点研究内容　367

一、关键科学问题　367

二、重点研究内容　369

第三节　国内外发展现状　372

一、光子人工神经网络国内外发展现状　372

二、光子脉冲神经网络国内外发展现状　374

三、面向光子智能芯片的光电子集成国内外发展现状　376

第四节　发展建议　377

一、第一阶段发展　377

二、第二阶段发展　378

三、第三阶段发展　378

参考文献　380

关键词索引　418

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当前和今后一段时期将是我国集成电路和光电芯片技术发展的重要战略机遇期和攻坚期，加强自主集成电路和光电芯片技术的研发工作，布局和突破关键技术并拥有自主知识产权，实现集成电路产业的高质量发展是我国当前的重大战略需求。《中国集成电路与光电芯片 2035发展战略》面向 2035年探讨了国际集成电路与光电芯片前沿发展趋势和中国从芯片大国走向芯片强国的可持续发展策略，围绕上述相关方向开展研究和探讨，并为我国在未来集成电路和光电芯片发展中实现科技与产业自立自强，在国际上发挥更加重要作用提供战略性的参考和指导意见。