“比起削足適履，做一雙合腳的鞋，才是中國半導體產業(yè)換道超車的機會所在?！?/p>

芯片高水平自立自強是我國偉大復興征程必須邁過的“婁山關”。我國芯片領域嚴重受制于人，如果一味在別人的地基上蓋房子，樓越高，國之重器被“卡脖子”就越嚴重，常規(guī)跟蹤思路根本難以追趕、更無法超越，唯有守正創(chuàng)新、另辟蹊徑才能換道超車。

“比起削足適履，做一雙合腳的鞋，才是中國半導體產業(yè)換道超車的機會所在。”中國工程院院士鄔江興對本刊表示。

于是，2019年鄔江興院士基于系統(tǒng)工程論，融合體系結構和集成工藝創(chuàng)新，帶領團隊提出“可基于落后一至兩代的材料與工藝實現一流系統(tǒng)”的軟件定義晶上系統(tǒng)（Software Defined System on Wafer，SDSoW），為我國芯片破解“卡脖子”困局并實現“換道超車”提供了戰(zhàn)略支撐，并有望走出一條與封鎖工藝弱相關的中國芯片自主創(chuàng)新、換道超車與戰(zhàn)略突圍之路。

什么是軟件定義晶上系統(tǒng)？

隨著摩爾定律日漸趨緩，當前的集成電路產業(yè)發(fā)展正面臨來自“三堵墻”——“封裝極限”、“良率極限”和“物理極限”的挑戰(zhàn)。簡單而言，就是當前制程工藝逐漸向3nm/1nm發(fā)展逼近物理極限，隨著芯片尺寸增大良率控制會變得越來越難，先進封裝技術在散熱、功耗、封裝規(guī)模等方面的問題也日益凸顯。

鄔江興院士指出，現有信息系統(tǒng)采用的是“晶圓-芯片-模組-機匣-機架-系統(tǒng)”架構和基于PCB板與板間互連的“低密度、低帶寬、低能效”稀疏集成技術，這種“堆砌式”、“逐級插損式”的二流工程技術路線越來越難以提高自身的性能和效能，必須要走出一條能夠將“超高密度組裝、多維智能連接和軟件定義系統(tǒng)”等諸多要素融合在一起的創(chuàng)新之路。于是，SDSoW技術應運而生。

該技術的核心思想是結構創(chuàng)新連乘工藝創(chuàng)新，旨在對國家層面的戰(zhàn)略問題進行破局，總體包括兩部分：

“軟件定義”晶圓級系統(tǒng)，作為系統(tǒng)之系統(tǒng)，以面向領域應用的高性能、高效能與高靈活為目標，遵從“結構適配應用”的軟硬件協(xié)同技術路線，既有領域內的靈活性，又有專用級高性能、高效能，并天然匹配開放式復雜性系統(tǒng)乃至智能系統(tǒng)的靈活高效結構內涵，屬于一種新的技術物理形態(tài)。

可能我們會更熟悉軟件定義芯片，那么當軟件開始定義晶圓級系統(tǒng)時，會存在哪些差異？鄔江興院士解釋說，軟件定義芯片的性能/效率增益是線性的，當然也存在集成方面的瓶頸，其整體效率的提高是有“線性增益瓶頸”的；然而軟件定義晶圓級系統(tǒng)則是從系統(tǒng)工程論的角度出發(fā)，以提升全系統(tǒng)效能為目的，以體系結構創(chuàng)新和集成工藝創(chuàng)新為手段，以軟件定義晶圓級系統(tǒng)為基礎達到1+1》2的非線性效能增益

“晶上系統(tǒng)”是工藝創(chuàng)新，徹底改變傳統(tǒng)單芯片封裝、載芯片于板卡、集板卡成機柜、組機柜成系統(tǒng)的“低密度、低帶寬、低能效”逐級堆砌計算系統(tǒng)構建方式，屬于超高密度、異構異質、多維拼裝集成的“超微系統(tǒng)”工程技術路線。

“軟件定義晶上系統(tǒng)是站在信息系統(tǒng)整體的角度對集成電路設計、加工、封測和應用等進行‘體系架構’與‘工程技術’的雙重變革?！编w江興院士說，SDSoW系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是以晶圓級系統(tǒng)為基礎載體集成計算、存儲、通信、網絡、安全、IO等各種功能，可以是不同工藝節(jié)點的芯粒，也可以是不同材料的芯粒，實現晶圓上基于“智能韌帶”的“無插入或低插入損耗”的集成，獲得互連密度、帶寬、延遲和功耗等方面的增益。

其次，SDSoW晶上資源規(guī)模相比于SoC有數量級的提升，可以顯著提高體系架構創(chuàng)新的增益，不僅可以通過軟硬件協(xié)同，以變結構實現高效能，而且還可以隨著運行“閱歷”的積累，能夠使運行結構自我優(yōu)化、自動演化，具有1-3個數量級的性能與效能增益。

這意味著，基于國內二流乃至三流工藝實現超高密度、異構異質拼裝集成的“超微系統(tǒng)”工程技術路線，完全可以與采用一流工藝器件、傳統(tǒng)工程技術路線的系統(tǒng)相媲美，甚至實現超越。

僅靠Chiplet不能救中國

熟悉Chiplet技術的人士都懂得，該技術是將大型單芯片劃分為多個相同或者不同的小芯片，這些小芯片可以使用相同或者不同的工藝節(jié)點制造，再基于傳統(tǒng)的PCB封裝技術或者硅基板實現跨芯片互連和封裝級別集成。那么，它和SDSoW系統(tǒng)之間存在哪些異同？

資料顯示，SDSoW采用了Wafer（晶圓）級的硅基板和封裝技術，可以將不同構造、不同功能、不同工藝的芯粒（Dielet）像拼積木—樣組裝或集成到晶圓上，通過復用芯?？煽焖俳M裝成異構、異質、異工藝的晶圓級復雜系統(tǒng)，并能極大的縮小信息系統(tǒng)的體積與功耗，指數量級的提升系統(tǒng)性能。

相比于傳統(tǒng)的Chiplet封裝技術，SDSoW集成規(guī)模要大得多，即能將更多的系統(tǒng)功能微縮至單片或多個可拼接的Wafer上，具有更高的集成密度、更小的片間互連延遲和更為智能的連接韌帶。SDSoW制造過程中要求突破晶圓中跨光罩區(qū)域之間的大規(guī)模互連技術以及TSV（硅通孔）工藝技術，晶圓級硅基板制造不需要先進的制造工藝，可利用當前次代或成熟的半導體前道/后道金屬工藝，即能采用二流的制造工藝+創(chuàng)新的系統(tǒng)設計實現一流的系統(tǒng)。

在鄔江興院士看來，Chiplet是面向后摩爾時代的微電子技術，SDSoW是面向信息基礎設施與信息物理系統(tǒng)所面臨的瓶頸問題與發(fā)展方向提出的系統(tǒng)級技術體系，兩者之間并沒有對立之處，只是技術思想提出的“原點”不一樣。換句話說，SDSoW融合了結構創(chuàng)新與工藝創(chuàng)新，集成規(guī)模更大，集成資源更多，是一條包含Chiplet，又可以超越Chiplet的具有中國創(chuàng)新內涵的自主發(fā)展路線。

在回答“為什么中國需要SDSoW技術”時，鄔江興院士說，美國發(fā)展Chiplet，中國同樣發(fā)展Chiplet，但我們仍然面臨材料、工藝和工具的落后，一樣處于在同一賽道上、同一游戲規(guī)則下的追趕囧境，因此僅靠Chiplet不能救中國，也不能支撐偉大復興戰(zhàn)略。

尤其是在當下，我國的材料乃至工藝落后國際先進水平兩代以上，而自2018年以來，主要競爭對手利用其在微電子領域的絕對技術優(yōu)勢，對我信息技術發(fā)展的物理基礎實施釜底抽薪式的絞殺，封鎖層層加碼，絞殺步步緊逼，我國微電子產業(yè)與相關技術領域發(fā)展面臨斷崖式下降的風險，亟待走出一條以國內大循環(huán)為主體結合廣泛的國際合作的“雙循環(huán)”的自主創(chuàng)新、戰(zhàn)略突圍之路。

SDSoW的應用之路

軟件定義晶上系統(tǒng)從提出到現在，經歷了從懷疑到追隨的過程，到目前為止已經在國內蓬勃發(fā)展起來。鄔江興院士透露，目前SDSoW已列入國家2035的相關規(guī)劃以及“十四五”科技規(guī)劃，依托之江實驗室、嵩山實驗室、紫金山實驗室等重點實驗室的先導項目研究，SDSoW系統(tǒng)已經在快速推進關鍵技術的研究和核心工藝的研發(fā)，力爭在“十四五”完成軟件定義晶上系統(tǒng)的關鍵技術突破、關鍵工藝研發(fā)和系統(tǒng)生態(tài)構建。

具體而言，圍繞“十四五”規(guī)劃，科技部在微納電子等五個方向重點專項中進行了任務規(guī)劃，并陸續(xù)立項相關課題，國防領域也啟動了相關任務布局。后續(xù)將著重聚焦國內集成電路整體上下游產業(yè)和技術的聯動，聚焦高算力、AI等領域應用，率先從互連標準制定、核心技術研究和關鍵工藝研發(fā)上實現突破，解決超算、智算、數據中心、核心網絡、自動駕駛等高算力領域和智能AI領域的“卡脖子”問題。

例如在高性能計算領域，傳統(tǒng)超級計算機采用超大規(guī)模計算芯片堆砌的方式構建，不僅體積大，且功耗極高，E級機功耗近百兆瓦量級，已經成為難以逾越的功耗墻，陷入即便“能買得起馬也配不起鞍”的窘境。但是，針對大部分應用的計算效率卻僅有峰值效率的10-20%。SDSoW通過高密度集成、“結構適配應用”的變結構計算、剝離SerDes等芯片接口模塊等方式，能夠實現計算效能的大幅提升，可以在不需要提升制程工藝的條件下全面滿足需求。

根據規(guī)劃，SDSoW將經歷三個發(fā)展階段：階段一：做出來，破解卡脖子急需，保證指標不倒退、核心不被卡死；階段二：做得好，在規(guī)模性、經濟性、敏捷性和生態(tài)完備性等方面取得突破，擴大應用場景，形成巨大的新興產業(yè)規(guī)模；階段三：智能晶上系統(tǒng)，軟件定義互連（Software Defined Interconnection，SDI）升級為神經網絡，晶上系統(tǒng)演化為智能系統(tǒng)，為智能時代提供物理底座。

不做離開生態(tài)系統(tǒng)的“無源之水”

2017年，由國家數字交換系統(tǒng)工程技術研究中心（NDSC）、清華大學等牽頭組建了SDI技術與產業(yè)創(chuàng)新聯盟，發(fā)展至今成員單位超270家，成功舉辦4屆聯盟大會，策劃聯盟互動百余次，形成聯盟生態(tài)合作30余項，合作經費超5億元，極大地促進了軟件定義互連產業(yè)聚集及發(fā)展合作。2019年，隨著SDSoW技術的提出，SDI聯盟在2022年全面升級為“軟件定義晶上系統(tǒng)”聯盟。

鄔江興院士表示，從軟件定義晶上系統(tǒng)技術本身而言，這一技術體系是完全開放的，對其他技術也是包容的，聯盟不反對國外資本乃至企業(yè)加入。然而，在中美科技激烈競爭時代背景下，SDSoW是破解我國芯片“卡脖子”困局并實現“換道超車”的重要戰(zhàn)略支撐，在這種情況下外資企業(yè)會不會來？能不能來？考驗著境外投資者和企業(yè)決策者們的智慧與勇氣。

同樣，“如何把SDSoW的技術優(yōu)勢轉化為市場優(yōu)勢？”，也考驗著中方。鄔江興院士指出，首先，要堅持開放共贏，吸引現有的各個方向技術優(yōu)勢單位參與進來，進行技術合作；其次，守正創(chuàng)新，軟件定義晶上系統(tǒng)的關鍵技術包括預制件設計、軟硬件協(xié)同架構設計、晶圓級互連網絡設計、晶圓基板集成設計、供電散熱設計等，要有打破藩籬的創(chuàng)新思維，不斷進行技術迭代優(yōu)化；第三，要通過高效合作形成共識創(chuàng)建中國自己的行業(yè)標準，利于后續(xù)軟件定義晶上系統(tǒng)方向的發(fā)展；最后，對當前的卡脖子、痛點領域進行突破，優(yōu)先考慮該類領域的產品研制和應用推廣。

值得關注的是，鄔江興院士團隊近期將依托SDSoW聯盟向聯盟成員單位免費公開3項核心專利，分別是《軟件定義晶上系統(tǒng)及數據交互方法和系統(tǒng)體系架構》、《一種領域專用的軟件定義晶圓級系統(tǒng)和預制件互連與集成方法》、《晶上系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境搭建方法及系統(tǒng)》，涵蓋了系統(tǒng)體系架構、拼裝互連集成與開發(fā)環(huán)境工具等，共同組成了SDSoW的“根”，對晶上系統(tǒng)的技術加速創(chuàng)新和產業(yè)快速普及具有很好的指導意義。

結語

SDSoW在基于“三流材料、二流工藝”實現“一流系統(tǒng)”的同時，也要求應用、設計、工具、制造、工藝等產業(yè)鏈上下游協(xié)同配合。鄔江興院士希望能依托SDSoW聯盟，最大化匯聚國內晶上系統(tǒng)方向的科技與產業(yè)力量，為我國芯片高水平自立自強做出“不可替代”的貢獻。

審核編輯 ：李倩