汪炼成 2021/02/10

“根，紧握在地下；叶，相触在云里……仿佛永远分离，却又终身相依。”

                                                                                                                                   ——《致橡树》 舒婷 

“IEDM, ISSCC, VLSI等和CES等则如同电子信息产业大树的根和叶，前者深耕技术，无声滋补后者每一次更新换代所需的养分，而后者每一代更新对更高速度计算、更高精度显示、更高密度存储等更高需求都逆向传递激励着前者在制程、器件、系统和材料方面的前沿研发和技术推进。没有前者，后者是无根之木，无源之水，无从谈起；而没有后者，前者则可能沦为纸上谈兵，望梅止渴，无从施展和落地。正所谓“根，深扎在地下；叶，繁茂在枝头”，“仿佛表面分离，实际紧密相依”。                                            ——汪炼成

一、IEDM, ISSCC, VLSI和CES

        在集成电路和半导体领域有很多不错的国际顶级会议，最有名的则是IEDM（国际电子器件会议）, ISSCC（国际固态电路会议）和VLSI（超大规模集成电路研讨会）。IEDM与ISSCC, VLSI并称集成电路领域的“奥林匹克盛会”。IEDM和ISSCC分别始于1954年，1953年，VLSI稍晚点，始于于1981年。参考威廉.肖克利发明半导体晶体管（1946年），Robert Noyce和Jack Kilby发明集成电路的时间（1956年），这些会议不可谓不源远流长，几乎从头开始一路伴随集成电路和半导体产业的发展。

         同时在消费电子领域也有重要影响力展览会，最富盛名的当属CES（国际消费类电子产品展览会，International Consumer Electronics Show），号称科技产品的“风向标”，各大品牌厂商的“秀场”。CES从1967年就开始举办，1978年之后便每年开始在美国的赌城拉斯维加斯举行。很多发明，包括录音录像机（如1970年索尼 U-Matic VCR录像机）、磁带、数码相机、VCD（如1974年，激光碟片）、电子表等消费电子产品，甚至很多经典游戏，如俄罗斯方块、贪吃蛇等在大规模进入市场前，都首先在CES上亮过相。比尔盖茨在任时是CES的常客，每年都在Keynote环节发表激情澎湃的演讲。今年Keynote演讲嘉宾则有AMD炙手可热的Dr. Lisa Su，人称“苏妈”。

         CES的展览历史，一定程度上呈现了消费电子产品从视觉、个人电子、网络娱乐到现在人工智能、机器人等发展的历史。而现在产品从CES展览的“王谢堂前”到飞入寻常百姓家的时间间隔则越来越短，节奏越来快了。

           其他还有MWC（世界移动通信大会，Mobile World Congress），是一年一度全球最具影响力的移动通信领域的展览会。还有其他很多地域性综合或行业性展会。当然很多大品牌公司不满足于在CES或MWC与其他公司同台共舞，共享“镁光”，选择实力单飞开秀，如苹果的经典产品发布会。

        “根，紧握在地下；叶，相触在云里”，“仿佛永远分离，却又终身相依”。诗人舒婷希望爱情像木棉树和橡树一样，根紧握，叶相触，一起分担和共享。而上述IEDM, ISSCC, VLSI和CES则如同电子信息产业大树的根和叶，前者深耕技术，无声滋补后者每一次更新换代所需的养分，而后者每一代更新对更高速度计算、更高精度显示、更高密度存储等更高的需求都逆向传递激励着前者在制程、器件、系统和材料方面的前沿研发和技术推进。没有前者，后者是无根之木，无源之水，无从谈起；而没有后者，前者则可能沦为纸上谈兵，望梅止渴，无从施展和落地。

   正所谓“根，深扎在地下；叶，繁茂在枝头”，“仿佛表面分离，实际紧密相依”。

二、IEDM, ISSCC, VLSI：深扎地下

       ISSCC，即IEEE International Solid-State Circuits Conference的缩写，国际固态电路会议，主要报道模拟电路、数字电路、电源管理、图像/MEMS以及机器学习的等集成电路设计方向前沿进展，始于1953年。

        在ISSCC 60多年的历史里，众多集成电路历史上里程碑式的发明都是在此首次披露（Science, Nature不接收这类文章的），比如：

世界上第一个TTL电路 (1962年)

世界上第一个集成模拟放大器电路(1968年)

世界上第一个1kb DRAM (1970年)

世界上第一个CMOS electronic wristwatch (1971年)

世界上第一个8-bit 微处理器 (1974年)

世界上第一个32-bit微处理器(1981年)

世界上第一个1Mb的DRAM (1984年)

世界上第一个1Gb的DRAM (1995年)

世界上第一个集成 GSM transceiver (1995年)

世界上第一个GHz的微处理器 (2002)

世界上第一个多核处理器 (2005年)

        VLSI，超大规模集成电路国际研讨会（Symposium on VLSI Technology and Circuits），相比IEDM和ISSCC要年轻不少，始于于1981年，每年六月中旬在日本京都、美国夏威夷轮流召开。顾名思义，主要讨论超大规模集成电路制造和设计。相比IEDM和ISSCC，VLSI多了一些集成电路制造的Workshop, 如原子层处理和选区域图案化，3D集成的低热预算掺杂等。

VLSI上中国内地第一篇论文，来自中科院半导体所的石寅研究员团队（《A direct digital frequency synthesizer with single-stage delta-sigma interpolator and current-steering DAC》）。中国内地产业界至今没有在VLSI会上发表一篇文章。我国产业界在原始创新方面，确实还有很长的路要走。

         IEDM大会始于1954年，具有六十多年历史，会议地点在美国华盛顿特区和旧金山市之间轮换，是电子元器件领域的国际顶级会议，是国际著名高校、研发机构和Intel、TSMC、三星、IBM等Giant发布先进技术和最新进展的重要窗口和平台。顺便，功率半导体领域的顶级国际学术会议 IEEE ISPSD（IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs）也是从IEDM会议中分离出来的。

IEDM集中在半导体元器件方面，作为一个器件研究人员，我个人关注得更多些，每年都能从这里看到学界和产业界的最前沿进展。IEDM 2020由于疫情转为线上举办, 议题囊括当下集成电路和微电子热门前沿技术和方向：Advanced Logic Technology，Memory Technology，Emerging Devices（2D materials and carbon nanotubes beyond simple CMOS transistors），（Integrated Photonics，Image Sensors， Display），Compound Semiconductor （包括Power Devices，Microwave, Millimeter Wave, and Analog Technology）。

当然Session的重心还是在先进逻辑器件方面，包括High-mobility Channel devices，3D technologies，Scaling booster，Beyond CMOS devices for low power，Future interconnect technology等延续或超越摩尔定律的可能技术方向。Memory也是重头戏，议题包括STT-MRAM，Non-Volatile Memories，Ferroelectric Memory以及前沿PCRAM/RRAM/MRAM存储技术。

IEDM连续整整一周的议程，每个session talk只有短短10分钟，确实够拼的！

   今年的3个Plenary Talk分别来自 2019年刚履新IMEC CMOS部门SVP的Sri Samavedam博士、美光和三星综合技术院，Talk内容分别对应大会重心的先进逻辑沟道器件，存储和人工智能&量子计算方向。位于比利时鲁汶的IMEC是世界领先的微电子研究机构和标杆，对半导体先进工艺的研究非常有名，诸如193nm浸没式光刻，高介电常数金属、铜、低介电常数材料等。

在极紫外光刻方面，IMEC除了和ASML在2018年就建立了ASML-IMEC High-NA极紫外光刻联合实验室外，2019年和超快光学方面世界领先的KMLabs联合建立了Attolab，致力于高数值孔径EUV先进制程相关的缺陷检测、阿秒级别！（1阿秒为10^-18 s, 飞秒10^-15 s, 皮秒10^-12s, 纳秒10^-9 s) EUV-光子相互作用和光刻胶曝光机理等极紫外光刻动力学相关研究。在高数值孔径EUV光刻机和先进制程推出之前，这些前瞻研发的重要性不言而喻。

Sri Samavedam博士先后任职于Motorola, Freescale 和Global Foundry，在Global Foundry时将14nm CMOS技术引入量产，同时领导了7nm的早期开发。由具有Global Foundry等产业背景，对先进制程和ASML极紫外都非常熟悉的Sri Samavedam博士来做《Future Logic Scaling: Towards Atomic Channels and Deconstructed Chips》的Plenary Talk似乎再合适不过，报告结论是：未来十到十五年发展路线，从EUV到High-NA EUV，HNS（Hybrid Nanostructures），FS（Forksheets），BPR（Buried Power Rail）,CFET（Complementary FET）的结构和工艺，从Si到2D Materials多材料探索，从2D Soc到3D Chip，EDA工具等都需要更多研究。

先进逻辑技术Session报道的内容有，Ge沟道纳米线Fin-FETs和GAA（gate-all-around）-FETs，Intel和IBM的应变SiGe纳米片和堆叠纳米片GAA-PMOSFETs，WS₂等二维沟道材料器件，三维异质集成，以及来自TSMC报道的先进互连技术和材料等，如(Cu, Co, Ru, Rh, Ir)，混合金属，半大马士革，双大马士革互连工艺等。不要小看这互连材料和技术，据传，老司机Intel折戟7nm就是因为在10nm工艺节点时选择的“钴”材料难产，输给了选择铜合金的TSMC。这和最早的TSMC-Intel之间Gate-first和Gate-Last之争，或者ASML浸没式193nm光刻机-尼康干式157nm F2准分子激光器光刻机之争有点像，真是步步惊心！

据笔者粗略统计，IEDM 2020上，IMEC, Intel, Samsung, TSMC和Globalfoundries分别发表了约33篇，18篇，15篇，8篇文章或报告，显示出他们在这个行业的主导地位。我国本土的芯片代工龙头中芯国际（SMIC）在IEDM上没有出现，这在当下美国封装的大背景下并不让人奇怪。但是笔者往前追溯直至2014年，IEDM也都没有SMIC的身影。感兴趣的可以查查，但我在网上确实也没有搜索到相关报道。SMIC成立已逾20年，缺席在顶级会议上和同行的交流，还是感觉比较遗憾。

IMEC，作为非营利科研机构，能在群雄环伺诸侯争霸白热化的微电子和半导体领域享有话语权，在全世界范围内引领微电子技术前沿发展，确实难能可贵！美国本土的UC Berkeley等顶尖大学，以及后来硅谷尝试建立的类似微电子研究机构，都没能做到这一点。 IMEC所在比利时是小国，微电子产业薄弱，也许正是如此，才逼迫其走出去，和前述ASML，Intel以及KMLabs等高手共舞，最后自己也跻身高手行列。IMEC的研究范畴几乎囊括了IEDM涉及到的大部分方向，并且在每个方向都做得非常出色，确实值得我们学习和借鉴。

       IEDM与ISSCC、VLSI虽然久负盛名，但却并不为大部分科研研究人员所熟知，甚至很多器件领域的研究人员也不甚了解。我一直不太关注文章分区，不知道IEDM文章几区？和前述ISSC, VLSI一样，发一篇IEDM的文章也相当不容易。欣喜看到IEDM 2020上看到很多国内科研团队的身影：复旦大学在类脑计算（39.2），围栅多桥沟道晶体管技术（12.1），上海微系统所在5G射频滤波器（36.3），电子科技大学在抗辐射高压SOI LDMOS器件可靠性，西安紫光国芯在异质集成嵌入式DRAM（SeDRAM）等领域方向报道了重要进展。

       IEDM 2020 共有40个Session，每个session大概6个报告（文章），所以共有240篇文章。《Science》和《Nature》综合期刊今年刊文量大约都在1200篇左右（Nature 和Science均为周刊，每刊大概20篇相关研究Letters或Articles，据此估算），专业性《Nature Photonics》刊文在100篇左右（12个Issue, 每个Issue 8-9篇文章），而Nature Communication据说要飙升到5000篇每年了！

三、CES：繁茂枝头

     与IEDM, ISSCC, VLSI的相对“默默无闻”不同，每年的CES都会引起终端消费者和媒体的较大关注。刚过去的CES 2021因为疫情原因选择线上展览，但还是不少尖货，令人眼前一亮，主要集中在在芯片、显示及汽车电子等产品：

      芯片：1）AMD 苏妈发布了基于Zen3 的全新Ryzen 5000 系列移动处理器；2）英伟达发布了RTX 3060、3070、3080 三款游戏本芯片；Intel一口气发布了50多款处理器，涵盖了商用、游戏、教育和移动四大平台。芯片是Intel、AMD、NVIDIA的“美利坚三国演义”。Intel, AMD, NVIDIA约曹魏，蜀汉和孙吴？

       汽车电子：1）三星在CES上发布了最新的Digital Cockpit 2021(数字座舱2021)；2）恩智浦推出了新汽车ADAS解决方案，可为汽车制造商提供灵活、可扩展的配置选择，以及满足弯角和前置雷达应用的NCAP 碰撞测试要求；3）宝马发布了首次采用5G技术的新一代iDrive系统；4）通用凯迪拉克电动飞行汽车。

     显示：1）海信推出L9F系列全色激光电视和行业首款XDR电视。L9F系列实现了全色激光电视向全尺寸的普及，还加强了产品的社交功能；2）TCL发布Mini-LED、QLED以及4K HDR电视。其中，4K Mini LED C825电视采用了“多分区背光控制技术+量子点显示技术”组合；3）LG Display推出了升级版55英寸的透明OLED彩电；4）三星则带来了Neo QLED和Micro LED两个系列的电视产品。

      显示和影音产品在历年都比较受CES钟情，毕竟消费者接受信息很大程度上来自视觉，而最新最前沿的显示技术给人最直观的视觉冲击！从2009年1000000:1动态对比度的LED背光的LG W2486L液晶显示器，到2010年三星的PX2370，到OLED显示的兴起，到2011年的3D显示，到多触点触控显示，到时下的Mini-LED, Micro-LED, 激光显示, 柔性显示及VR/AR/MR等。显示产品的迭代更新，离不开背后LED, Mini-LED, Micro-LED, OLED, 激光器，传感器等元器件的技术进步和支撑。而苹果三星等最先进智能手机等产品，则无不受惠于最先进的芯片制程，而这些在每年的IEDM都被深入地讨论和研究。

图1 三星Micro-LED 电视，包括 110吋、99吋、88吋，4K画质，支持HDR10 和杜比视界，可将 110吋屏幕分屏为4 个 55 吋画面。110 吋版本售价约为100万RMB，相比之前天价，价格其实美丽了不少。

图2 海信L9F系列社交激光电视，配备AI智慧摄像头，支持6路视频通话、AI魔镜拍照、

AI体感健身、同屏观影、K歌连麦、小聚在家等社交功能。

图3 凯迪拉克电动飞行车，可搭载一名乘客，以每小时约90公里的速度飞行。

图4 InWith 集成AR模组的柔性隐形眼镜。

四、结语

      “罗马不是一天建成的”。再看IEDM，ISSCC，VLSI和CES，之所以能取得如此口碑和成功，是由于他们几十年如一日，始终深耕行业，服务行业，响应行业的呼求，跟随行业的脉动，一路伴随行业发展和成长！

    做时间的朋友，不忘初心，才能根深叶茂，泽厚流长。期待国内能有更多更高质量类似会议、论坛或展览！