褚君浩：《摩尔定律有天花板，“韬定律”开拓新思路》
作者：褚君浩（中国科学院院士，复旦大学光电研究院院长）
“韬定律”很有意思，它代表了集成电路发展中对新方向的指引和趋势，给大家点亮一盏明灯，预示我们的注意力不要单纯聚焦在上层建造，而是要用“物理底层逻辑驱动”解决问题，这一思路对当前集成电路发展，以及对量子芯片、光子芯片、自旋电子学芯片等产生引领作用。
近半个多世纪以来，半导体集成电路发展基本是按照摩尔定律，即每两年左右晶体管密度翻一番，从而实现能效增加。摩尔定律并不像牛顿规律等是自然科学定律，而是对技术发展的经验总结，它反映的是行业趋势，得到了行业公认，成为共识。但现在，摩尔定律遇到了一些困难：硅原子直径约为0.2纳米，当芯片制程接近1纳米时，量子隧穿效应会显著影响芯片性能，所以这条路一直走下去，总是有尽头的。
摩尔定律的本质是用更快速度集成更多的功能。那么，提升速度只有这一条路吗？面对这些问题，近年来出现了很多三维结构的探索，包括晶体管、电路、芯片等层面，即原来是平面，现在立体化后缩短的就是时间，在物理学中，“τ”常用于表示“寿命”或“时间常数”。因此，“韬定律”的核心在于，不要把注意力完全集中在尺寸缩小上，而是要把注意力集中在时间微缩上。在电路中即R（电阻）×C（电容）=时间常数τ，即我们想办法把晶体管、电路等架构中的电阻减少、电容减少，也能够缩短时间从而提升速度和性能。
此次“韬定律”则明确把这个思路总结出来，告诉大家可以从架构、原理、材料等方面下功夫，从而使得集成电路有更好发展。在“韬定律”指引下，传统几何缩微需要三年迭代才能达到的幅度，华为用一代逻辑折叠完成。从数据推测来看，一年时间晶体管密度增加了53.5%，而特征尺寸对应的平面面积缩小了12.7%，对应的时钟主频可达4GHz（千兆赫兹）—5GHz，零点几纳秒，速度已经非常快了，这说明很有效果。但“韬定律”未来能否像“摩尔定律”一样成为产业共识，还需时间和产业的印证。目前数据还不足够多，未来随着更多公司实践、落地，用更多数据支撑其形成一条行业趋势曲线，才能反映产业规律。
当产业把关注点集中在时间微缩上，会影响产业链各个环节，如设计、封装、测量甚至投资等。对于国内产业而言，如果效果好，再叠加华为的引领作用，大家都会在这方面发展。但国外的大型集成电路企业可能还会按照原来的线路走，因为有EUV光刻机。不过，海外依然会重视“韬定律”，重视时间常数缩短这一路径对器件性能提高的好处。有了“韬定律”后，也不意味着中国半导体产业就完全放弃EUV光刻机。EUV光刻技术我们也还是要继续突破，如果有EUV再加上“韬定律”，就能“1+1>2”，更厉害了。目前中国半导体产业结构已经比较完整了，对外依存度也越来越小，上下游产业的结合也很好。未来随着科学技术快速发展，全球产业最佳状态是不同国家、公司都有自己非常擅长的一面，同时也有很好合作互通的架构。
“摩尔定律”和“韬定律”都是行业规律，发展到一定程度后，都面临物理极限的天花板，只是目前“摩尔定律”的天花板更明显。未来“韬定律”也会出现一些新问题，比如能耗散热问题，从平面变为立体，密度变大，散热问题就容易变严重。后摩尔时代，“韬定律”未来的天花板如何打破？能不能有更高水平的芯片？尤其是现在人工智能发展迅速，对算力要求很高，这些都是产业持续发展所需要思考的。自旋电子学也是未来集成电路发展的新可能，目前也在探索阶段。所以，技术进步总是发展到一定程度后会有新技术来替代，而新技术出现瓶颈后，又会有更新的技术迭代。
国外封锁的“倒逼”，我国基础研究的深厚底蕴以及长期的技术积累，使得我们能够实现这种“系统化能力”。中国科技在发展过程中有一个特点：能买到的，自己就不做了。比如我们的红外探测器，很多都买不到，只能自己做。因为光刻机不卖给我们，尺寸减不下去了，倒逼我们动新的脑筋。同时，科学研究积累的基础也起到了很大作用。华为有很多工程师，集成电路有众多企业，还有很多新架构、新工艺路线等，全方位为基础研究提供了可行性。未来“系统化优化”势必是一种趋势，它对整个集成电路产业最终发展效果有很大影响，中国科技正走在“科技强国”的道路上。
作者介绍：
褚君浩：红外物理学家、半导体物理和器件专家，中国科学院院士，复旦大学光电研究院院长、材料科学系教授，华东师范大学理学院教授，中国科学院上海技术物理研究所研究员。褚君浩院士长期从事红外光电子材料和器件的研究，在窄禁带半导体、非制冷红外探测、太阳能电池和太赫兹物理、材料及器件等诸多红外科学技术领域做出了开创性的工作。获得授权发明专利100余项；在Nat. Electron.、Nat. Commun.、Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Light Sci. & Appl.、Nano Lett.、ACS Nano.等国际著名刊物发表论文1000余篇，出版中英文《窄禁带半导体物理学》《Physics and Properties of Narrow Gap Semiconductor》《Devices Physics of Narrow Gap Semiconductor》等专著3部和编著书籍10 部。研究成果获国家自然科学奖3项、中国科学院自然科学一等奖1项、二等奖2项 、中国科学院科技进步一等奖1项、上海市科技进步一、二等奖各1项 。2004年获得国家重点实验室计划先进个人奖、国家973计划先进个人奖，2013年获得上海首届科普教育创新奖的“科普杰出人物奖”，2014年被授予第十届“十佳全国优秀科技工作者”称号，2017年获得首届“全国创新争先奖”奖章，2020年获得联合国工业发展组织上海全球科技创新中心突出贡献奖。
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