创“芯”广东 提升半导体产业研发制造能力——专访广东省半导体产业技术研究院胡川博士

文/刘启强

【导读】

广东省半导体产业技术研究院（以下简称半导体研究院或研究院）是广东省科学院旗下的一家半导体技术领域的主体研究机构。自2016年正式注册成立以来，研究院集聚了来自全球知名高校、科研机构和顶尖半导体企业的高层次学科带头人，在第三代半导体材料、新型显示器件等领域开展了一系列研发创新，取得了国际领先的技术成果。近日，本刊记者专程采访了研究院引进的学科带头人，曾在全球顶尖半导体公司Intel担任研究员十多年的胡川博士，对胡博士立足广东打造异构集成技术开发高端平台，提升我国半导体产业研发制造能力的相关工作进行了探访。

跻身Intel核心部门 聚焦半导体领域最前沿研究

《广东科技》：胡博士，您好，听说您在国外学习工作了很多年，并在世界最大的半导体公司Intel担任研究员，请给我们介绍一下您在国外工作学习的相关情况。

胡川：好的。我1988年考入北京大学物理系，并于1995年赴美国德克萨斯大学攻读博士学位。我的导师是曾获得美国半导体产业协会（SIA）最高奖的何兆中（Paul Ho）教授。在他的影响和指导下，我在完成物理学博士学位论文的同时，还学习了5个工程系的10门课程，由此开始了我的交叉学科学术生涯。2000年博士毕业后，我去了美国Intel公司，进入基础材料研究所（Components Research）工作。这个研究所是由Intel最资深、最核心的研究人员组成（比如现在的首席技术官（CTO ）Mayberry 博士），主要开展半导体领域最前沿的基础材料、制程工艺的研发工作。我是该部门迄今为止唯一招募的中国籍研究员。

在Intel期间，我一方面从事Intel内部的研究，与全球上百家设备、材料供应商一起研发6年后可能在Intel能够量产的工艺，并从可制造性、可靠性、性能、价格等综合因素开展原创性研究。从2001年开始研发32nm工艺的解决方案，到2014年我离开Intel的时候，已经开始了5nm以下代次研发。另一方面，我还负责参与管理和指导了几十个大学项目，并协调整合产业、政府和研究院校的相关资源。

《广东科技》：在美国，半导体产业与高校间的项目，也就是我们说的产学研项目，是以什么方式开展的呢？

2018年，研究院承办广东省第三代半导体发展战略论坛，图为参加论坛的嘉宾。

胡川：美国半导体产业的产学研项目主要有两种：第一种是美国半导体协会下属的非营利组织半导体研究公司（Semiconductor Research Corporation，SRC ）资助的项目。SRC公司目前已扩展到全球成为最大的半导体企业，它是政府和企业合作的联合研发团体，由它资助的合作项目的成果、专利将会被用来共享（我本人的博士研究也是这个机构资助的）。SRC自1986年成立以来，共培养了超过1万名的博士，资助的项目主要关注和研究未来4到10年内可能量产的领域。

第二种是美国国防部和半导体企业通过“焦点中心研究计划”（ Focus Center Research Program FCRP）资助大学的研究。该计划资助项目的经费由美国政府和工业界各出一半，主要研究6～15年以后的焦点领域。麻省理工学院、斯坦福大学、普林斯顿大学、加州大学伯克利分校等知名大学都是该计划项目的合作伙伴，行业合作伙伴还包括IBM、Intel、德州仪器等业内领先企业。我在2002～2012年担任这个计划项目的Intel导师。目前该计划资助的相关项目已演化为电子“文艺复兴”等一系列的方向，包括量子计算、异构集成等未来的重大和主要发展方向都是从这里开始。

回国创业 继续从事半导体产业创新

《广东科技》：据了解，您回国后还是在半导体行业创新创业，可以说对这个行业是非常熟悉的，想听听您对国际半导体产业现状的解读。

胡川：是的，回国后我就自己创业，还是做我的老本行。在半导体行业从业了近20年，一直聚焦全球产业最前沿的研究，并全程参与产学研的各个重要环节，对芯片从概念到量产的全球研发制造的完整生态都比较了解。

从1947年发明晶体管，1958年发明集成电路以来，半导体产业一直在按照行业自身的发展规律前进。1968年，Intel创始人摩尔提出了摩尔定律——每两年晶体管密度翻一番。这样一个指数递增的规律不可能持续很久。最初，摩尔本人在1995年认为这个定律在2005年会终结。之后，摩尔定律虽然几次被延续，但2016年Intel没能完成从14nm到10nm产线的升级，意味着严格意义上的摩尔定律就此终结。

至此，半导体产业的增长也就放缓了，因为从10nm到3nm，只有大约10倍（面积）的提升空间；小于3nm后，量子效应非常显著，会产生很多问题；即使能到1nm，整个产业依靠晶体管密度的提升也只有100倍的发展空间。另外，密度的提升也不能直接转换为计算能力的提升，还要考虑散热等因素会从可靠性方面限制算力，所以，目前整个产业都在寻找新的方向。

研究院的研发大楼

记者与胡川博士（中）合影

当前，半导体产业界认可的大方向主要是异构集成的方法。简单来说，在单颗芯片上集成更多的器件越来越难，因为所需的工艺也不一样，如CPU和DRAM没法统一优化，基材也不同，比如硅（Si）、氮化镓（GaN）、金刚砂（SiC）等；另外，更多的电子器件和传感器也需要集成起来以减少尺寸、降低功耗，提升性能和可靠性。这就需要用更先进的方法把不同的器件集成起来。由于在硬件性能提升上变慢，在后摩尔定律时代，半导体产业的共识是认为产业会从硬件为中心转变为软件（应用）为中心、从通用计算转变到专用计算，针对不同的算法和应用场景，在硬件上而不是软件上做相应的调整。

还有一些相对比较细分的领域也有各自的发展，比如量子计算在密码学方向、生物接口和传感在人机交互上、存算一体和光计算在人工智能领域、第三代半导体在功率和射频领域，纳米器件在存储和计算领域等，都有不少开创性的工作。

《广东科技》：您觉得广东芯片产业发展得如何？优势和不足有哪些？

胡川：先谈谈优势吧。广东省一直是半导体产业的超大用户。2018年，我国进口的集成电路在3000亿美元左右，其中广东省占比超过1/3。这么大的规模优势在全球也是独一无二的。在国内10大IC设计公司中，广东省就占3家。这些设计企业在以应用为主导的半导体产业中，将是极其重要的驱动力量。

广东省所处的粤港澳大湾区是另一个巨大的利好，这里有着充分的人才培育和国际化优势。此外，广东省的产业发展格局具备实现完整的产业梯度优势，这对半导体产业的发展布局极为有利。

不足的地方是，广东省在半导体产业发展上非常不充分。我们知道，国内半导体企业主要集中在长三角地区，如集成电路芯片制造的中芯国际、华虹半导体，半导体设备的中微半导体等。当然，这与国家当时的产业布局息息相关。如今，全国很多城市都在积极培育半导体产业，如武汉的长江存储、西安的三星海力士、成都的英特尔、合肥的兆易，等等，这些体量相对较大的半导体企业都为当地的经济发展与科技创新提供了核“芯”支撑。虽然深圳中芯8英寸线已经投产，广州粤芯12英寸线也逐步开始量产，但相对长三角地区，广东的起点和体量还是偏低。另外，虽然广东有丰富产业经验的专家，但在高端制造人才方面，以及在全球视角下的政策生态方面，都还有很大的发展空间。

半导体研究院的磁控溅射台

半导体研究院的小型电子束蒸发台

加盟半导体研究院 专注异构集成封装研究

《广东科技》：您加入半导体研究院后，主要开展的研究工作和方向是什么？

胡川：我加入半导体研究院主要是从事异构集成封装的研究工作。半导体器件的异构集成技术是把制程不同、功能各异的多种半导体器件，通过互连线进行连接集成，从而提升集成电路整体性能。这是支撑每年万亿美元规模的半导体产业未来发展最具潜力的关键技术之一。我做的工作简单来说有两大块，一个是通过扇出封装解决X、Y方向的互连，一个是通过3D封装解决Z方向的互连。

我工作的方向也是两个：一是用创新的方法把扇出和3D封装的制造成本极大地降低下来，这样才能把这个工艺扩展到更大的半导体领域；二是探索比我在Intel做过的扇出和3D封装更前沿的制造工艺，以推动最前沿的新技术发展方向。整体上，要实现在后摩尔定律时代新的突破，就需要从广度（制造成本和相关应用领域）和深度（电学性能可靠性等）上同时推进。

《广东科技》：那您目前研究工作的进展情况如何？

胡川：省科学院和半导体研究院对我的研究方向给予了高度重视和大力支持，目前，异构集成先进封装实验室已基本完成基础建设，并将在年底投入使用，开展相关研发工作。我们通过打造异构集成技术开发的高端研发平台，将推动半导产体业从以硬件为中心转向以软件为中心、从通用计算向专用计算转变。未来，我们将有望形成具有自主知识产权的核心技术，显著提高我国在半导体产业的研发制造能力。

《广东科技》：对于如何推动广东半导体产业创新发展，很想听听您的观点和建议。

胡川：我们国家在设计、晶圆和封装的规模上大致相当，其中，设计的体量最大、成长最快、资金门槛也最低。但光有设计是不够的，我认为广东半导体产业还应大力发展主流硅器件。虽然，相对于Intel、高通、英伟达等主要国际大厂，我们在工艺和知识产权上落后很多，但半导体产业经过50年严格的摩尔定律后，正处于一个具有很大不确定性的变化期里。在这样的时代，即使是传统的主流硅器件领域，也不是一成不变的，会涌现出新的创新主导者。

因此，我个人认为，广东半导体产业发展面临以下一些领域的机遇：一是能代表未来创新趋势的领域，如异构集成封装、纳米材料器件等；二是与广东的产业结合紧密、有市场保障的领域，如手机和电子产品所需的器件；三是有独特优势、能够发展到细分领域内全球前三的领域，如专用芯片ASIC设计；四是全球竞争上相对不是一家独大的领域，如第三代半导体和MEMS传感器等；五是一些相对比较边缘化的超前领域，如量子计算、生物计算等。

《广东科技》：那您觉得当前发展面临的最大难点是什么？

胡川：首先一个最根本的问题，就是知识产权的培育和保护。虽然在这方面，国内已经有了很大进步，但还需不断加大力度。因为只有建立起良好的培育和保护机制，社会和政府的资金才会流入到产业里来，有价值的知识产权创新才能得到资源以持续发展。目前，国内的知识产权培育和保护都还不够，这导致的一个最大问题就是投资创新的回报不够。

第二个主要的挑战是人。广东的人才吸引力很大，但我们需要各个级别、层次的人来参与完成不同环节上的工作，所以我们非常需要有国际视野、有产业经验的人来主导相关政策的制定与执行，来参与产业的设计和建设，来指导制造的规划和实施，来辅导创新的培育和产业化。

第三个挑战是政府对创新的持续投入。创新必然伴随着风险，尤其是在我们相对落后的半导体产业，不可能通过短期投资行为来追求短期回报，政府和产业界要对风险有充分的认识和包容。同时，进一步加大对存量公共研发平台的扶持力度，对前期投入已有进展的研究机构进行长期性、持续性投入。面对创新，要多培育、多包容、多保护，很多好的创意和想法，都需要时间来达成，一定的灵活性和变通性，也有助于产业的蓬勃发展。

（本文图片由受访者提供）

机构介绍

广东省半导体产业技术研究院（以下简称研究院）是广东省科学院下属的23个骨干研究院所之一，其前身是2010年10月在时任省委书记汪洋同志关怀下成立的广东半导体照明产业技术研究院。作为广东省在半导体技术领域的主体科研机构，研究院建立了材料外延、微纳制造、封装应用、分析测试四大科研平台，拥有包含MOCVD在内的120多台/套关键设备，总价值上亿元，是国内先进半导体材料与器件研究的重要基地，也是国内少数拥有完整半导体工艺链且具备产业技术中试能力的研究平台之一。此外，研究院是中国有色金属学会宽禁带半导体专业委员会的挂靠单位，该专委会是中国首个第三代半导体领域的专业委员会，有16位院士出任专委会顾问，专委会委员基本覆盖了国内第三代半导体领域著名的高校、科研院所和企业的知名专家，具有广泛的代表性。研究院还拥有广东省第三代半导体材料与器件工程技术研究中心、广东省固态紫外光源工程技术研究中心、广东省宽带半导体材料及器件创新中心等多个省部级创新平台。

成立以来，研究院立足于广东省经济社会发展的实际需要，聚焦宽禁带半导体产业发展的应用技术研究，兼顾重大技术应用的基础研究，发展了以下研究方向：功率电子器件及检测、新型显示技术和紫外光电材料与器件等技术研发；高端半导体照明技术应用与开发；半导体工艺设备国产化关键部件开发;先进集成电路封装技术；半导体器件温度表征技术和可靠性技术；集成电路设计技术研究和产品开发等。

目前，研究院已搭建起较为完善的学科生态圈，拥有包括来自全球知名高校、科研机构和一流企业的高层次学科带头人，形成了以Intel、Facebook等国际知名企业核心专家为首的具有国际化研究背景的高水平人才队伍，在第三代半导体材料、新型显示器件等领域，研究院均取得了国际领先的技术成果，承担和参与了国家和省市级科研项目80余项，孵化科技企业5家，充分发挥了支撑广东省半导体产业发展的公共开放平台作用。

随着粤港澳大湾区国际科技创新中心建设的加快推进，研究院的研究方向已覆盖新一代通信、集成电路设计与制造、人工智能、先进光电子与微电子材料器件等多个半导体相关的经济社会核“芯”技术领域。未来，研究院将紧紧围绕广东“一核一带一区”和粤港澳大湾区发展需要，进一步集聚半导体领域的高端人才，聚焦关键核心技术，打造支撑广东乃至国家战略的枢纽型高端平台。