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集成电路未来发展及关键问题观点专题

集成电路未来发展与关键问题——第347期"双清论坛(青年)"学术综述

陈云霁, 蔡一茂, 汪玉, 唐华, 何杰, 刘克, 郝跃
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 1-15

摘要 集成电路是信息时代重要的技术基础,也是国家战略竞争力的重要标志.在全球范围内,集成电路技术正处于快速变革与创新的新时期.面向集成电路未来发展,需要针对先进器件及集成工艺、模拟与混合电路、电路设计方法、新型计算架构等方面开展前沿研究,加强规划布局,完善创新系统,推动我国集成电路产业在未来发展中占得先机.基于第347期“双清论坛(青年)”,本文总结了我国集成电路科学研究及产业发展面临的国家重大需求,研判分析了集成电路领域国内外的发展态势和关键问题,展望了该领域重大的前沿发展趋势,探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略,以期助推我国集成电路技术高质量发展.

关键词 集成电路; 先进集成封装工艺; 模拟与射频电路; 电子设计自动化; 新型体系架构; integrated circuit; advanced integration and packaging; analog and radio-frequency circuit; electronic design automation; novel computer architecture

引用格式 陈云霁, 蔡一茂, 汪玉, 等. 集成电路未来发展与关键问题——第347期"双清论坛(青年)"学术综述. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 1-15, doi: 10.1360/SSI-2023-0356
Yunji CHEN, Yimao CAI, Yu WANG, et al. Integrated circuit technology: future development and key issues—review of the 347th "Shuangqing Forum (Youth)". Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 1-15, doi: 10.1360/SSI-2023-0356

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

存算一体芯片发展现状、趋势与挑战

康旺, 寇竞, 赵巍胜
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 16-24

摘要 冯·诺依曼计算架构本质上面临“存储墙”和“功耗墙”瓶颈,近年来摩尔定律的放缓进一步加剧了上述瓶颈.新型存算一体芯片技术通过器件–架构–电路–工艺的协同创新,将数据存储与计算融合一体化,大幅降低数据搬运及其开销,被视为后摩尔时代突破冯·诺依曼架构瓶颈的重要技术方向之一.同时,存算一体芯片通过大规模并行运算方式实现高算力,在一定程度上可以缓解工艺微缩压力,对我国在新一轮人工智能革命中突破算力困境,具有重要的战略意义与应用价值.基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”,本文介绍存算一体芯片领域当前的研究现状,分析了存算一体芯片技术对我国的重要战略意义,展望了未来亟待解决的关键科学问题与技术挑战,并进一步给出了该领域的发展趋势和建议.

关键词 存内计算; 近存计算; 异构集成; 异构架构; in-memory computing; near-memory computing; heterogeneous integration; heterogeneous architecture

引用格式 康旺, 寇竞, 赵巍胜. 存算一体芯片发展现状、趋势与挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 16-24, doi: 10.1360/SSI-2023-0311
Wang KANG, Jing KOU, Weisheng ZHAO. In-memory computing technology: development status, trends and challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 16-24, doi: 10.1360/SSI-2023-0311

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SRAM存算一体芯片研究: 发展与挑战

叶乐, 贾天宇, 陈沛毓, 武蒙, 黄如
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 25-33

摘要 人工智能时代对计算芯片的算力和能效都提出了极高要求.存算一体芯片技术被认为是有望解决处理器芯片“存储墙”瓶颈,大幅提升人工智能算力能效和算力密度的关键技术和重要解决方案.SRAM存算一体芯片技术由于其在兼容性、鲁棒性、灵活性等方面的优势,已经得到多个旗舰公司的认可和相关领域的产业布局.本文基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”的讨论内容,回顾SRAM存算一体芯片领域近年来的研究现状和发展趋势,分析并总结了该领域未来的研究需求,凝练关键科学问题并进一步探讨前沿研究方向和科学基金资助战略.

关键词 人工智能; 存算一体; SRAM存算; 科学问题; artificial intelligence; compute-in-memory; SRAM-based CIM; scientific topics

引用格式 叶乐, 贾天宇, 陈沛毓, 等. SRAM存算一体芯片研究: 发展与挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 25-33, doi: 10.1360/SSI-2023-0320
Le YE, Tianyu JIA, Peiyu CHEN, et al. SRAM-based compute-in-memory: status and challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 25-33, doi: 10.1360/SSI-2023-0320

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高能效高安全新兴计算芯片: 现状、挑战与展望

刘伟强, 陈珂, 吴比, 邓尔雅, 王佑, 龚宇, 崔益军, 王成华
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 34-47

摘要 智能信息化社会对算力的需求日益增长,高能效和高安全性的计算芯片已经成为支撑科技创新和社会进步不可或缺的基础设施.新兴计算范式作为提升算力的创新技术,近年来在理论和技术方面取得了重要突破,引起了学术界和工业界广泛关注.本文从电路设计方法、新型芯片架构以及脑启发算法等多个角度介绍和分析了新兴计算芯片的相关前沿技术,同时讨论了各项技术的阶段性特征以及所面临的设计挑战和安全可信挑战,最后展望了新兴计算芯片技术的未来发展,并阐述了其发展的重点方向.

关键词 新兴计算范式; 安全可信; 近似计算; 随机计算; 存内计算; 脑启发式计算; emerging computing paradigm; secure and trust; approximate computing; stochastic computing; in-memory computing; brain-inspired computing

引用格式 刘伟强, 陈珂, 吴比, 等. 高能效高安全新兴计算芯片: 现状、挑战与展望. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 34-47, doi: 10.1360/SSI-2023-0316
Weiqiang LIU, Ke CHEN, Bi WU, et al. High-efficiency and high-security emerging computing chips: development, challenges, and prospects. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 34-47, doi: 10.1360/SSI-2023-0316

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

高性能模数转换器技术挑战与发展趋势

朱樟明, 刘术彬
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 48-57

摘要 高性能模数转换器(analog-to-digital converter, ADC)是电子信息系统的核心器件,是集成电路设计领域的研究热点与难点,是最复杂、难度最大的模拟集成电路.本文阐述了集成电路工艺演进给高性能模拟电路设计带来的共性挑战,并分别从纳米工艺下高速高精度、超高速低精度和高精度低延时等模数转换器系统架构与设计技术方面分析了高性能模数转换器面临的技术挑战与重要发展趋势.

关键词 模拟集成电路; 模数转换器; 高速高精度; 低延时; analog integrated circuit; analog-to-digital converter; high-speed-high-precision; low latency

引用格式 朱樟明, 刘术彬. 高性能模数转换器技术挑战与发展趋势. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 48-57, doi: 10.1360/SSI-2023-0310
Zhangming ZHU, Shubin LIU. Challenge and trend of high-performance analog-to-digital converters. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 48-57, doi: 10.1360/SSI-2023-0310

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高效率高集成度电源管理芯片的发展与关键挑战

路延, 屈万园
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 58-67

摘要 随着人工智能对算力(电力)需求的指数增长,高性能计算芯片对供电效率、密度提出了严苛的要求,高密度电源管理芯片成为制约算力发展的显著瓶颈,是高性能计算芯片的重要共性支撑.面对高算力芯片的供电功率、密度与效率的综合性巨大挑战,以及集成芯片系统的新供电场景,传统的分立供电架构、控制技术等亟待突破.基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”关于集成电路未来发展及关键问题的广泛讨论,本文总结了电源管理芯片方向发展上的关键问题与挑战.本文从目前主流处理器的前沿供电技术的发展现状出发,讨论了高性能处理器供电技术的长期发展趋势,并给出未来关键技术的发展预测,从电源管理系统架构、控制技术、无源器件集成、封装形态等方面提出研究建议,为我国集成芯片高密度供电技术的发展提供重要的理论支撑.

关键词 电源管理芯片; DC-DC; 混合架构; 稳压电源; 3D集成芯片供电; power management IC; hybrid topology; voltage regulator; 3D power delivery for integrated chips

引用格式 路延, 屈万园. 高效率高集成度电源管理芯片的发展与关键挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 58-67, doi: 10.1360/SSI-2023-0338
Yan LU, Wanyuan QU. Development and challenges of high-efficiency highly-integrated power management integrated circuits. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 58-67, doi: 10.1360/SSI-2023-0338

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硅基毫米波集成电路设计发展现状与挑战

张净植, 余益明, 吴韵秋, 赵晨曦, 张青风, 康凯
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 68-87

摘要 毫米波相控阵系统因其大带宽、高速率和多波束的优点,在移动通信和雷达感知系统中得到了广泛的应用.硅基毫米波集成电路设计是其中的关键核心技术.本文基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”的研讨成果,根据毫米波集成电路与集成系统研究方面的重大需求,针对硅基毫米波集成电路设计的关键挑战和科学问题,按照相控阵架构、关键电路和器件模型3个层级,总结梳理了国内外硅基毫米波集成电路设计领域近年来所取得的主要进展和成就,凝炼了该领域未来5~10年的重大关键科学问题,探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略.

关键词 毫米波; 相控阵; 集成电路; 移动通信; 雷达感知; mm-Wave; phased array; integrated circuit; communication; radar

引用格式 张净植, 余益明, 吴韵秋, 等. 硅基毫米波集成电路设计发展现状与挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 68-87, doi: 10.1360/SSI-2023-0334
Jingzhi ZHANG, Yiming YU, Yunqiu WU, et al. Developments and challenges of mm-Wave integrated circuits on silicon. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 68-87, doi: 10.1360/SSI-2023-0334

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

集成电路未来发展及关键问题观点专题

面向高性能计算的低温芯片技术: 发展和挑战

程然, 李博, 王宗巍, 张结印, 单伟伟, 张建军, 蔡一茂, 韩根全
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 88-101

摘要 过去60多年,集成电路技术的进步推动了电子信息领域的快速发展.随着工艺制程进入纳米阶段,通过微缩化技术进一步提升器件和电路的性能需要克服技术和成本方面的多重挑战.探寻新的器件、设计和架构技术是高性能计算领域解决当下瓶颈的必然路径.低温芯片技术,利用晶体管低温下电学性能的提升,可以进一步提高逻辑芯片的算力并降低动态和静态功耗,由于和现有集成电路技术兼容性较高,是低成本实现更高性能计算的理想技术路线之一.此外,随着量子计算技术的发展,可扩展的大规模量子芯片需要和极低温互补金属氧化物半导体CMOS电路以及存储芯片实现片上集成,进而实现更高效的数据处理.本文面向高性能计算应用,从器件表征、模型、仿真和设计、应用等多个层面,分析并总结了低温芯片技术领域的发展历程、理论基础和技术挑战,并给出针对性的解决方案和建议,有助于推动我国在低温芯片技术领域的持续发展.

关键词 低温芯片; 低温电子学; 低温PDK; 高性能计算; 量子计算; low-temperature CMOS circuit; low-temperature electronics; low-temperature PDK; high-performance computing; quantum computing

引用格式 程然, 李博, 王宗巍, 等. 面向高性能计算的低温芯片技术: 发展和挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 88-101, doi: 10.1360/SSI-2023-0347
Ran CHENG, Bo LI, Zongwei WANG, et al. Low-temperature CMOS technology for high-performance computing: development and challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 88-101, doi: 10.1360/SSI-2023-0347

信息器件 量子 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

集成电路未来发展及关键问题观点专题

半导体量子计算芯片

张建军, 李海欧, 郭国平
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 102-109

摘要 近年来,量子计算受到国内外越来越广泛的关注,美国、欧洲、日本和澳大利亚等国都投入了大量资金,量子计算应用研究成果开始涌现.在众多的量子计算物理系统中,半导体量子计算因具有与现有集成电路工艺兼容及可扩展、可集成的优点而备受重视.本文在介绍国内外半导体量子计算研究进展的基础上,探讨半导体量子计算发展中面临的关键科学技术难题,以及未来半导体量子计算规模化、集成化、产线化的发展趋势.

关键词 硅; 锗; 量子点; 量子比特; 量子计算; silicon; germanium; quantum dot; quantum bit; quantum computing

引用格式 张建军, 李海欧, 郭国平. 半导体量子计算芯片. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 102-109, doi: 10.1360/SSI-2023-0333
Jian-Jun ZHANG, Hai-Ou LI, Guo-Ping GUO. Semiconductor quantum computing. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 102-109, doi: 10.1360/SSI-2023-0333

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

集成电路未来发展及关键问题观点专题

高性能芯片物理实现的关键因素

樊凌雁, 黄灿坤, 朱志伟, 刘海銮, 马香媛
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 110-120

摘要 影响高性能芯片的物理设计涉及多个关键因素,文章分析了其中主要的5个因素:标准单元库、核心IP库、布局布线、制造工艺、物理设计与EDA工具/Foundry的协作优化.通过对基本情况介绍,当前行业情况分析等,剖析了影响高性能芯片设计及制造的核心因素,对高性能芯片未来需要重点发展的方向提出了一些探讨思路.

关键词 高性能芯片; 物理设计; 集成电路IP核; EDA; 布局布线; high-performance chips; physical design; intellectual property core; place and route

引用格式 樊凌雁, 黄灿坤, 朱志伟, 等. 高性能芯片物理实现的关键因素. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 110-120, doi: 10.1360/SSI-2023-0330
Lingyan FAN, Cankun HUANG, Zhiwei ZHU, et al. Key factors in the physical design of high-performance chips. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 110-120, doi: 10.1360/SSI-2023-0330

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

集成电路未来发展及关键问题观点专题

EDA左移融合设计范式的发展现状、趋势与挑战

梁云, 卓成, 李永福
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 121-129

摘要 左移(shift-left)融合是电子设计自动化(electronic design automation, EDA)的一种新设计范式,旨在通过融合和并行解决传统瀑布式设计范式的问题.传统EDA流程分为多个串行设计阶段,导致设计周期长、设计冗余大.通过相邻设计阶段的融合与并行,可以有效缩短设计周期、提升设计优化效率.左移融合通常涉及在不同设计阶段之间共享数据模型,并采用新的抽象方法,可以应用到包括高层次综合、逻辑综合、布局布线、签核验证、工艺优化等EDA流程的各个阶段.此外,借助早期的数据分析与评估,可以有效应对后期可能出现的问题,从而降低开发成本.综上,鉴于左移融合对于提高EDA流程的效率和质量具有重要意义,本文将介绍左移融合的发展现状和关键科学问题,并展望未来发展路线.

关键词 电子设计自动化; 左移; 融合; 并行; 效率; EDA; shift-left; fusion; parallel; efficiency

引用格式 梁云, 卓成, 李永福. EDA左移融合设计范式的发展现状、趋势与挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 121-129, doi: 10.1360/SSI-2023-0314
Yun LIANG, Cheng ZHUO, Yongfu LI. The shift-left design paradigm of EDA: progress and challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 121-129, doi: 10.1360/SSI-2023-0314

信息器件 光电子 论文 Website Google Scholar PDF

集成电路未来发展及关键问题观点专题

集成电路装备光刻机发展前沿与未来挑战

胡楚雄, 周冉, 付宏, 张鸣, 朱煜
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 130-143

摘要 光刻机是集成电路制造中最为核心的高端装备,在60余年的发展历程中不断挑战人类超精密制造装备的极限,推动着摩尔定律的持续向前和信息时代的飞速发展,对于科技进步、国民经济、国家安全具有极为重要的战略意义.本文阐述了光刻机在集成电路制造装备中的核心地位,介绍了光刻的基本原理,梳理了国际上光刻机从20世纪60年代至今的发展脉络,围绕光刻机三大核心部件分析了光刻机中的关键技术及面临的极限技术挑战.在此基础上,本文展望了未来光刻机的发展趋势和未来方向.

关键词 集成电路; 光刻机; 关键技术; 发展前沿; 未来挑战; integrated circuit; IC; lithography machine; key technology; development frontier; future challenge

引用格式 胡楚雄, 周冉, 付宏, 等. 集成电路装备光刻机发展前沿与未来挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 130-143, doi: 10.1360/SSI-2023-0378
Chuxiong HU, Ran ZHOU, Hong FU, et al. Development frontier and future challenges of lithography machines for integrated circuit manufacturing. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 130-143, doi: 10.1360/SSI-2023-0378