研討會(huì)精華分享六：從BSIM和FinFET成功看芯片產(chǎn)品的創(chuàng)新

11月16日，由深圳市有限元科技有限公司&達(dá)索系統(tǒng)Simulia聯(lián)合主辦的“第二屆電子產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)提升研討會(huì)”，在深圳深航酒店成功召開。此次“電子產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)提升”主題研討會(huì)，旨在通過會(huì)議搭建一個(gè)開放的技術(shù)交流平臺(tái)，分享電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的成果與經(jīng)驗(yàn)，共同探討電子領(lǐng)域面臨的技術(shù)難題。以下，將為大家分享會(huì)議精華六：從BSIM和FinFET成功看芯片產(chǎn)品的創(chuàng)新（北京大學(xué)深圳系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任何進(jìn)博士報(bào)告）。

    芯片產(chǎn)業(yè)背景    

今年4月，美國(guó)商務(wù)部宣布對(duì)中興實(shí)施禁售，因?yàn)楹笳哌`反了去年與美國(guó)商務(wù)部達(dá)成的和解協(xié)議。在中國(guó)政府的斡旋聯(lián)系下，美國(guó)政府最終在7月份解除了對(duì)中興的禁令，但中興不得不向美國(guó)政府繳納了10億美元罰金和4億美元的托管金。加上2017年和解協(xié)議的12億美元罰金，美國(guó)政府對(duì)中興的總罰金超過了25億美元。

中興事件落下帷幕不到三個(gè)月，美國(guó)政府再次對(duì)中國(guó)科技企業(yè)實(shí)施禁售令。這次遭殃的是福建晉華集成電路有限公司，美方稱其存儲(chǔ)芯片急劇擴(kuò)張產(chǎn)能將給美國(guó)供應(yīng)商帶來(lái)嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)(Significant risk)，因此禁止美國(guó)企業(yè)向后者出售技術(shù)和產(chǎn)品。

中興、晉華事件讓我們認(rèn)識(shí)到了國(guó)內(nèi)核心技術(shù)落后及重要性，對(duì)中國(guó)科技創(chuàng)新自力更生生態(tài)鏈的啟示：

1、借鑒硅谷模式，建立核心的科技創(chuàng)新生態(tài)鏈。

2、產(chǎn)學(xué)研官緊密結(jié)合，促進(jìn)開放式科技創(chuàng)新體系發(fā)展。

產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的增長(zhǎng)新模式 

從美國(guó)和其他發(fā)達(dá)國(guó)家及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)可知，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要引擎是創(chuàng)新科技。美國(guó)50%-80%的GDP增長(zhǎng)由創(chuàng)新科技產(chǎn)生，而硅谷等高科技中心和地區(qū)是美國(guó)GDP主要增長(zhǎng)點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)力。

只要我們能把握好創(chuàng)新科技發(fā)展模式，深度整合全球產(chǎn)業(yè)環(huán)境優(yōu)勢(shì)資源，我們肯定能擺脫過去30年粗放型（人口、環(huán)境、土地、能源依賴式）發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)中國(guó)經(jīng)濟(jì)未來(lái)30年的高速增長(zhǎng)。

向硅谷學(xué)習(xí)，建立創(chuàng)新生態(tài)鏈，建立我們自己獨(dú)特的發(fā)展模式，是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，偉大中國(guó)復(fù)興夢(mèng)的關(guān)鍵。何進(jìn)博士親身經(jīng)歷的硅谷附近UCB的BSIM和FinFET故事，也許有助理解我們?nèi)绾谓⒆约旱腎C科技創(chuàng)新生態(tài)鏈？ 

    BSIM和FinFET成功借鑒    

摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來(lái)的。其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個(gè)月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。摩爾定律描述的現(xiàn)象，對(duì)現(xiàn)代世界產(chǎn)生的影響可以說(shuō)超過其他任何現(xiàn)象。過去40年里，計(jì)算能力呈指數(shù)級(jí)提升，以各種方式改變了我們的生活，造就了從萬(wàn)維網(wǎng)、智能手機(jī)到物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)的各種各樣的奇跡。

在芯片的發(fā)展過程中并不是一帆風(fēng)順的，如上圖中紅色部分稱為“紅墻”，就表示在研發(fā)過程中碰到的種種難題。但是技術(shù)的進(jìn)步，卻讓我們打破客服種種挑戰(zhàn)：在90納米時(shí)，應(yīng)變硅發(fā)明了；45納米時(shí)，增加每個(gè)晶體管電容的分層堆積在硅上的新材料發(fā)明了。22納米時(shí)，三柵極晶體管的出現(xiàn)保證了縮小的步伐。芯片的發(fā)展是否走到了極限，這仍是一個(gè)難以判斷的問題。

芯片非常重要，是國(guó)家的戰(zhàn)略先導(dǎo)型產(chǎn)業(yè)，芯片產(chǎn)業(yè)涉及到很多的環(huán)節(jié)，中興晉華事件讓我們了解到在芯片產(chǎn)業(yè)上我們事實(shí)上是全方位的落后，在材料、設(shè)備、設(shè)計(jì)方法工具、工藝技術(shù)、設(shè)計(jì)、封裝測(cè)試這六個(gè)各環(huán)節(jié)都有著巨大的差距。本次報(bào)告介紹BSIM故事主要是因?yàn)槿?9%的芯片廠在90nm以后都采用BSIM的模型，成為世界的標(biāo)準(zhǔn)及基本工具，希望借BSIM的成功經(jīng)驗(yàn)發(fā)展國(guó)家的芯片產(chǎn)業(yè)。

BSIM的故事

BSIM來(lái)自伯克利，就是電子和計(jì)算機(jī)工程系，里面有一個(gè)小組叫Device Group，第一位是Jeffrey Bokor，第二位是Chenming Hu，第三位是Tsu-Jae King-Liu，第四位是AliNiknejad。其中三位是美國(guó)工程院的院士，有兩位是華人之光，一位是胡正明教授，一位是Jsu-Jae King-Liu教授，他們直接促成了的BSIM和FinFET的成功。

BSIM的成功，何進(jìn)博士講了轉(zhuǎn)型創(chuàng)新生態(tài)鏈要建立大學(xué)、企業(yè)、政府和民間社會(huì)合作能夠成功的主要模式。深圳的IC設(shè)計(jì)是中國(guó)的NO.1，但要使用設(shè)計(jì)工具，深圳政府每年將近1億的價(jià)格要找國(guó)際巨頭購(gòu)買IC設(shè)計(jì)的EDA工具，但I(xiàn)C的設(shè)計(jì)工具的核心Core是來(lái)自伯克利的。BSIM的全稱是Berkeley Short-Channel IGFET Model，是IC設(shè)計(jì)的工具，其中涉及一些編程IT人員要做的軟件工程，還涉及到來(lái)自提供資金的人，以及來(lái)自產(chǎn)業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，最重要的是產(chǎn)業(yè)界與Device Group合作的一些結(jié)果。BISM之所以能成為國(guó)際的IC工具，被國(guó)家上90%以上的芯片設(shè)計(jì)公司采用，因?yàn)樗且粋€(gè)非常好的平臺(tái)，隨工藝的研發(fā)，技術(shù)及電路的發(fā)展而進(jìn)步，所以它這方面是一個(gè)社會(huì)型的工程。

何進(jìn)博士在伯克利進(jìn)行BSIM研發(fā)時(shí)，每個(gè)月都要去硅谷一次。甚至像Intel、IBM會(huì)來(lái)到Device Group的小組做應(yīng)用開發(fā)的報(bào)告。研發(fā)動(dòng)機(jī)是來(lái)自產(chǎn)業(yè)界的需求，而產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用的結(jié)果會(huì)反饋給我們的研究小組，研究小組需要不斷改進(jìn)，這就是美國(guó)的創(chuàng)新生態(tài)鏈。美國(guó)與EE研究相關(guān)的，錢大部分來(lái)自產(chǎn)業(yè)界，而不是來(lái)自政府。在中國(guó)，老師絕大部分的錢來(lái)自政府，而不是來(lái)自產(chǎn)業(yè)界。但在美國(guó)，有全球26家頂尖的IT公司，包括鼎鼎有名的IBM、TI、Intel以及東芝、索尼這些大公司組成的SRC聯(lián)盟，他們出錢、出題目，大學(xué)的教授能做這些研究項(xiàng)目，做的結(jié)果能分享。這是他們的模式，和中國(guó)完全不同，中國(guó)的教授每天忙著申請(qǐng)政府的錢。今天不同了，像華為海思的研發(fā)成本在整個(gè)銷售占很高的比例，中國(guó)的產(chǎn)學(xué)研、中國(guó)創(chuàng)新環(huán)境可以逐漸改變，需要我們的共同努力。

FinFET的故事

說(shuō)到科技創(chuàng)新戰(zhàn)略，剛才講的是16納米到10納米的進(jìn)步，甚至將來(lái)的7納米，都可以采用的基本結(jié)構(gòu)是FinFET，這更是大學(xué)、公司、政府、民間相互合力的創(chuàng)造。

FinFET最先是1996年美國(guó)DAPAR項(xiàng)目支持的一個(gè)預(yù)研項(xiàng)目，僅僅20多萬(wàn)美元。1998年UCB DEVICE GROUP已經(jīng)制出45納米的芯片，所以1999年在舊金山IEDM會(huì)議上發(fā)表了這樣一篇文章。2002年有AMD，過去也是做研發(fā)或生產(chǎn)CPU的，宣布10納米的FinFET可以用于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的technology。到2004年臺(tái)積電宣稱5納米的FinFET實(shí)驗(yàn)成功。到2006年IBM和Intel同時(shí)宣布，使用FinFET結(jié)構(gòu)，功能提高30%。一直到2014年底，華為使用臺(tái)積電16納米的技術(shù)加工出華為麒麟芯片，2014年三星宣布了14納米的FinFET芯片，CortexA7和A15。2015年臺(tái)積電和三星同時(shí)為蘋果加工A9芯片，應(yīng)該是iPhone6到iPhone7，全部采用FinFET工藝和技術(shù)。

FinFET的發(fā)明人就是胡正明教授（何進(jìn)博士的導(dǎo)師），它最基本的結(jié)構(gòu)是把芯片從二維變成三維，從平面變成立體。從物理上來(lái)講，能夠用于25納米以后，一直到7納米都可以采用這種基本的FinFET結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高手機(jī)的速度，提高電腦的功能，降低它的功耗。

2015年12月，奧巴馬宣布胡正明教授因?yàn)镕inFET發(fā)明影響人類的生活而獲得美國(guó)最高科技獎(jiǎng)，親自給胡正明教授頒發(fā)最高科技獎(jiǎng)，原因是胡正明教授帶著他的小組發(fā)明了FinFET，2015年FinFET in all top Cell Phones and Computers上都用到了，正在影響到我們的日常生活。高性能的蘋果、三星和華為的手機(jī)都采用FinFET的結(jié)構(gòu)，才有今天的性能。因?yàn)镕inFET的成功，華為海思與胡正明教授的合作，胡教授他被稱為“麒麟之父”。華為的手機(jī)在2015年以前，應(yīng)該說(shuō)和聯(lián)想、中興的手機(jī)是同一層級(jí)。前段時(shí)間的報(bào)告說(shuō)華為的手機(jī)銷量首次超越蘋果，成為全球No.2，主要得益于其芯片的成功。

    歸國(guó)后研究成果    

總結(jié)

關(guān)于科技創(chuàng)新，何進(jìn)博士介紹了在BSIM和FinFET研發(fā)時(shí)就有和硅谷的互動(dòng)。要建立創(chuàng)新生態(tài)鏈，借鑒國(guó)外的先進(jìn)方式，硅谷就是對(duì)標(biāo)的主要目標(biāo)。我們的轉(zhuǎn)型發(fā)展就要集中于科技創(chuàng)新生態(tài)鏈的建立。

一體化合作：研發(fā)一體化合作和要素一體化合作。

共同創(chuàng)造價(jià)值：無(wú)論是研究者還是生產(chǎn)者、投資者、消費(fèi)者，每增加一個(gè)創(chuàng)新者，都會(huì)使所有創(chuàng)新主體邊際收益增加，總價(jià)值也增加。創(chuàng)新活動(dòng)中人才、知識(shí)、技術(shù)等無(wú)形投入較多，更多創(chuàng)新者進(jìn)入則意味著可變資本增加，創(chuàng)新總價(jià)值會(huì)出現(xiàn)乘數(shù)化增加。

快速采納：由于研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用一體化，用戶已經(jīng)從創(chuàng)新的局外人變成創(chuàng)新的內(nèi)部人，創(chuàng)新由以產(chǎn)品為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂脩魹橹行?，在生產(chǎn)、應(yīng)用中研發(fā)，在研發(fā)中生產(chǎn)、應(yīng)用，產(chǎn)品和服務(wù)推出之日就是用戶使用之時(shí)。

創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)：創(chuàng)新體系不僅限于個(gè)人、個(gè)別企業(yè)或大學(xué)，而成為跨越政治、經(jīng)濟(jì)、文化、社會(huì)和環(huán)境各領(lǐng)域，連接發(fā)明者、投資者、生產(chǎn)者和消費(fèi)者的自組織系統(tǒng)，就像自然生態(tài)系統(tǒng)一樣。

BSIM和FinFET的IC成功給了我們很好的借鑒和參考，從政府層面發(fā)揮主導(dǎo)作用，加強(qiáng)“產(chǎn)學(xué)研”，提高人才待遇、改善就業(yè)環(huán)境，吸引海外人才、培養(yǎng)本土人才，方能堅(jiān)持自主發(fā)展的獨(dú)立性，抓住此次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移趨勢(shì)及新一代信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展機(jī)遇，最終提高國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力。在新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)（人工智能、5G、第三代半導(dǎo)體、汽車電子、超高清視頻終端等）的高速發(fā)展即將到來(lái)之際，芯片產(chǎn)業(yè)的重要性愈加凸顯，元王CAE仿真專家愿與業(yè)內(nèi)專家共同努力創(chuàng)新發(fā)展。