研討會精華分享六：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&達索系統(tǒng)Simulia聯(lián)合主辦的“第二屆電子產(chǎn)品性能設計提升研討會”，在深圳深航酒店成功召開。此次“電子產(chǎn)品性能設計提升”主題研討會，旨在通過會議搭建一個開放的技術(shù)交流平臺，分享電子產(chǎn)品設計方面的成果與經(jīng)驗，共同探討電子領(lǐng)域面臨的技術(shù)難題。以下，將為大家分享會議精華六：從BSIM和FinFET成功看芯片產(chǎn)品的創(chuàng)新（北京大學深圳系統(tǒng)芯片設計重點實驗室主任何進博士報告）。

    芯片產(chǎn)業(yè)背景    

今年4月，美國商務部宣布對中興實施禁售，因為后者違反了去年與美國商務部達成的和解協(xié)議。在中國政府的斡旋聯(lián)系下，美國政府最終在7月份解除了對中興的禁令，但中興不得不向美國政府繳納了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，美國政府對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月，美國政府再次對中國科技企業(yè)實施禁售令。這次遭殃的是福建晉華集成電路有限公司，美方稱其存儲芯片急劇擴張產(chǎn)能將給美國供應商帶來嚴重風險(Significant risk)，因此禁止美國企業(yè)向后者出售技術(shù)和產(chǎn)品。

中興、晉華事件讓我們認識到了國內(nèi)核心技術(shù)落后及重要性，對中國科技創(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)學研官緊密結(jié)合，促進開放式科技創(chuàng)新體系發(fā)展。

產(chǎn)學研結(jié)合的增長新模式 

從美國和其他發(fā)達國家及地區(qū)經(jīng)驗可知，推動經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要引擎是創(chuàng)新科技。美國50%-80%的GDP增長由創(chuàng)新科技產(chǎn)生，而硅谷等高科技中心和地區(qū)是美國GDP主要增長點和驅(qū)動力。

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，實現(xiàn)中國經(jīng)濟未來30年的高速增長。

向硅谷學習，建立創(chuàng)新生態(tài)鏈，建立我們自己獨特的發(fā)展模式，是實現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動，偉大中國復興夢的關(guān)鍵。何進博士親身經(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）提出來的。其內(nèi)容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，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個月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進步的速度。摩爾定律描述的現(xiàn)象，對現(xiàn)代世界產(chǎn)生的影響可以說超過其他任何現(xiàn)象。過去40年里，計算能力呈指數(shù)級提升，以各種方式改變了我們的生活，造就了從萬維網(wǎng)、智能手機到物聯(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)的進步，卻讓我們打破客服種種挑戰(zhàn)：在90納米時，應變硅發(fā)明了；45納米時，增加每個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，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，這仍是一個難以判斷的問題。

芯片非常重要，是國家的戰(zhàn)略先導型產(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)上我們事實上是全方位的落后，在材料、設備、設計方法工具、工藝技術(shù)、設計、封裝測試這六個各環(huán)節(jié)都有著巨大的差距。本次報告介紹BSIM故事主要是因為全球99%的芯片廠在90nm以后都采用BSIM的模型，成為世界的標準及基本工具，希望借BSIM的成功經(jīng)驗發(fā)展國家的芯片產(chǎn)業(yè)。

BSIM的故事

BSIM來自伯克利，就是電子和計算機工程系，里面有一個小組叫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，何進博士講了轉(zhuǎn)型創(chuàng)新生態(tài)鏈要建立大學、企業(yè)、政府和民間社會合作能夠成功的主要模式。深圳的IC設計是中國的NO.1，但要使用設計工具，深圳政府每年將近1億的價格要找國際巨頭購買IC設計的EDA工具，但IC的設計工具的核心Core是來自伯克利的。BSIM的全稱是Berkeley Short-Channel IGFET Model，是IC設計的工具，其中涉及一些編程IT人員要做的軟件工程，還涉及到來自提供資金的人，以及來自產(chǎn)業(yè)界的標準化設計，最重要的是產(chǎn)業(yè)界與Device Group合作的一些結(jié)果。BISM之所以能成為國際的IC工具，被國家上90%以上的芯片設計公司采用，因為它是一個非常好的平臺，隨工藝的研發(fā)，技術(shù)及電路的發(fā)展而進步，所以它這方面是一個社會型的工程。

何進博士在伯克利進行BSIM研發(fā)時，每個月都要去硅谷一次。甚至像Intel、IBM會來到Device Group的小組做應用開發(fā)的報告。研發(fā)動機是來自產(chǎn)業(yè)界的需求，而產(chǎn)業(yè)界應用的結(jié)果會反饋給我們的研究小組，研究小組需要不斷改進，這就是美國的創(chuàng)新生態(tài)鏈。美國與EE研究相關(guān)的，錢大部分來自產(chǎn)業(yè)界，而不是來自政府。在中國，老師絕大部分的錢來自政府，而不是來自產(chǎn)業(yè)界。但在美國，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，大學的教授能做這些研究項目，做的結(jié)果能分享。這是他們的模式，和中國完全不同，中國的教授每天忙著申請政府的錢。今天不同了，像華為海思的研發(fā)成本在整個銷售占很高的比例，中國的產(chǎn)學研、中國創(chuàng)新環(huán)境可以逐漸改變，需要我們的共同努力。

FinFET的故事

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

FinFET最先是1996年美國DAPAR項目支持的一個預研項目，僅僅20多萬美元。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)標準的technology。到2004年臺積電宣稱5納米的FinFET實驗成功。到2006年IBM和Intel同時宣布，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年臺積電和三星同時為蘋果加工A9芯片，應該是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（何進博士的導師），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)，進一步提高手機的速度，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為FinFET發(fā)明影響人類的生活而獲得美國最高科技獎，親自給胡正明教授頒發(fā)最高科技獎，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、三星和華為的手機都采用FinFET的結(jié)構(gòu)，才有今天的性能。因為FinFET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”。華為的手機在2015年以前，應該說和聯(lián)想、中興的手機是同一層級。前段時間的報告說華為的手機銷量首次超越蘋果，成為全球No.2，主要得益于其芯片的成功。

    歸國后研究成果    

總結(jié)

關(guān)于科技創(chuàng)新，何進博士介紹了在BSIM和FinFET研發(fā)時就有和硅谷的互動。要建立創(chuàng)新生態(tài)鏈，借鑒國外的先進方式，硅谷就是對標的主要目標。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)造價值：無論是研究者還是生產(chǎn)者、投資者、消費者，每增加一個創(chuàng)新者，都會使所有創(chuàng)新主體邊際收益增加，總價值也增加。創(chuàng)新活動中人才、知識、技術(shù)等無形投入較多，更多創(chuàng)新者進入則意味著可變資本增加，創(chuàng)新總價值會出現(xiàn)乘數(shù)化增加。

快速采納：由于研發(fā)、生產(chǎn)、應用一體化，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)、應用中研發(fā)，在研發(fā)中生產(chǎn)、應用，產(chǎn)品和服務推出之日就是用戶使用之時。

創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)：創(chuàng)新體系不僅限于個人、個別企業(yè)或大學，而成為跨越政治、經(jīng)濟、文化、社會和環(huán)境各領(lǐng)域，連接發(fā)明者、投資者、生產(chǎn)者和消費者的自組織系統(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)揮主導作用，加強“產(chǎn)學研”，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，方能堅持自主發(fā)展的獨立性，抓住此次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移趨勢及新一代信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展機遇，最終提高國家競爭力。在新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)（人工智能、5G、第三代半導體、汽車電子、超高清視頻終端等）的高速發(fā)展即將到來之際，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。