中国芯的ISSCC/JSSC之路

最新更新时间：2020-06-02

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来源：本文由半导体行业观察转载自ICAC Workshop，谢谢！

集成电路行业从来没有像今天一样被广泛地关注并引发大规模的讨论。这既有目前中美竞争的国家战略大背景，也是技术发展的阶段使然。肖克利实验室在加州成立的时候已经是五十年代中，可以说，中国在这个领域并没有历史包袱。冷战时期的美苏争霸，集成电路也没有成为焦点，因为当时电子系统的集成化远没有发展到现在的程度。实际上，直到世纪之交，单一标准的2G手机主板上还有相当多的分立模块和器件。现在回想那个时代，纸质的书信还承载着大量的日常交流，摩尔定律规划着半导体工艺按部就班地演进，而整个集成电路行业也在奥林匹克精神的指引下继续迈向更高更快更强。那时候我刚刚入行，读到的行业传奇大都是富有个性的天才，只在意做出最优秀的芯片，并不太多关心应用和系统的需求。如今电子系统的集成度，已经接近除去芯片无事可做的地步。例如手机，只要数数芯片和重要零部件就能计算出成本。因此，从技术上说，硬件领域的壁垒已经集中于集成电路。美国近年来通过对芯片及其产业链的封锁，步步紧逼地打击华为乃至国内高科技行业，一是有八九十年代扼杀日本的成功经历，二是其实也没有太多的其他选项。

全球化的体系与产学共生

现在的情况当然不好，但是如果冷静想想，倒也不算太坏。集成电路遵循摩尔定律发展迅速，而且具有很高的资本、人才和技术门槛。90年代以来，国家实际上多次试图投资发展集成电路制造，但大部分都是一建成就落后，至今都没有追上。但近年来摩尔定律逐渐放缓，整个行业慢了下来，我们追赶的效率和追上的机会都是大大增加了。另外国家的需求和投入也吸引了大量的资本和人才投身这个行业。不仅有大基金这样的国家资本，还有海量的民间资本。不仅有各地微电子学院的毕业生，还有持续的海外人才回归。那么剩下的关键，就是完成技术的积累，包括前沿技术的本土化和引领性研究。但这其实是非常非常难的，因为集成电路行业是个涵盖从材料到器件、从设计到制造、从系统到应用等多个环节的巨型生态系统。目前还没有任何一个国家有能力独自建立这样的工业体系。举个例子，总被提及作为卡脖子代表的EUV光刻机只有荷兰ASML可以制造，其中光学系统的关键部件，多层膜反光镜，只有德国蔡司可以制造，其平整度的要求相当于整个德国面积之内海拔起伏不超过1毫米。关注摄影的同学很多会注意到，镜头这个东西看似简单，但其实现在连山寨都还做不好，而这只是集成电路工业体系的冰山一角。对于这种大巧不工的技术，从业者更多的日常心态实际上是步步谨慎、如履薄冰，以至于很多资深的工程师最后都长成了细腻而稳重的职业性格。因此，弯道不翻车就很好，想要弯道超车的可能性是很低的。比较现实的还是整个产业体系各司其职，再持续努力若干年。

回到技术就纯粹多了。用合理的方式组织一群称职的工程师，给予足够的资源和耐心，技术上的成功不是个谜题。海思就是很好的例子。实际上，在集成电路技术的发展史上，华人一直在做着巨大的贡献。CMOS技术的提出者之一，萨支唐教授，从肖克利实验室和仙童时期就参与了行业的萌芽和发展；施敏教授提出了NVM；胡正明教授提出的FinFET和FDSOI更是纳米时代的主流技术。在设计领域，黄秋庭教授在2003年代表华人入选了ISSCC 50周年十大贡献者。很有意思的是，他们几位都是大陆出生，横贯学术和产业，并最后归身于学术。这也是集成电路行业的特点之一，学术界和产业界关系非常紧密。从FinFET的发展历程来看，即使是资源高度密集的制造业，仍然不断在学术界寻找新的技术。在集成电路设计领域，这一情形就更加普遍了。以高通、博通为代表，很多著名的fabless设计公司都有着深厚的学术背景，甚至相当一部分还是大学教授直接创业。在国内，清华大学和复旦大学优秀学者的产业化努力也成效卓著。由于这种天然的共生，在设计行业，学术研究的水平实际上也直接反映了整体产业的发展状况。

ISSCC和JSSC

众所周知，集成电路设计领域最高水平的成果通常发表于号称“芯片奥林匹克”的ISSCC（国际固态电路会议）和JSSC（IEEE固态电路期刊）。其中ISSCC只有两页，不必揭示太多技术细节，因此传统上不但是学术界也是产业界展示最新成果的舞台。发表在ISSCC的工作通常要求the best and/or the first。集成电路史上一些里程碑式的产品都是在ISSCC上首先宣布的。JSSC创刊之初是为了登载ISSCC的扩展长文，审稿过程更为严格，并且允许作者与审稿人进行技术讨论。后来稍逊于ISSCC的几大会议如VLSI Circuits、CICC、ESSCirC和ASSCC等也会在JSSC上结集出版优秀论文。此外JSSC也接受直接投稿。由于要经历严格的评审，发表在JSSC的文章通常更讲求solid。可以认为，JSSC是这一领域详尽而严肃的技术积淀与归档。毫无疑问地，在ISSCC和JSSC上发表论文的情况是学术水平的直接度量，也侧面反映了设计行业的整体发展水平。

说到这里想起一件印象深刻的事情。2017年10月初我随学校代表团访问麻省理工学院并拜访了刚上任不久的MIT工学院院长，Anantha Chandrakasan教授。他之前担任EECS系主任，也美国科学院和工程院院士。在我们对成电的光荣历史和伟大成就做了介绍之后，尤其是听我们提到电子科学与技术全国排名第一，他就问了一句话：你们有多少ISSCC？一阵沉默。可能觉得我们没听清楚，他又解释了一下，说自己知道清华和复旦有少量ISSCC，想知道中国最好的电子工程专业有多少篇。作为联络人和小同行，我只能如实给了那个尴尬的答案。乃至于现在回想还充满了窘迫。这种级别的学者和管理者当然了解CNS，MIT肯定更不缺CNS，但显然他还是把ISSCC/JSSC当作衡量集成电路乃至整个电子工程的标尺。

中国ISSCC/JSSC之路

回到正题，前面提到ISSCC/JSSC也在侧面反映了整个设计行业的发展水平。与之相应的就是，我国大陆地区在2000年以前极少发表ISSCC或JSSC。第一篇ISSCC论文应该是2005年IDT新涛公司常仲元博士等发表的PLL，第二年半导体所吴南健教授团队发表了大陆学术界的第一篇ISSCC，题目是PLL频综。2007年鼎芯的李振彪博士等发表第三篇ISSCC，题目是我国自主3G标准的TD-SCDMA收发机。后来清华大学李宇根教授和王志华教授团队的喻学艺博士等在2008和2009年连续发表了两篇ISSCC，复旦大学唐长文教授团队卢磊博士等2009年也发表了ISSCC，题目都是频综相关。此外，复旦大学洪志良教授团队在2011年和2014年发表了电源管理方面的ISSCC论文，中科院计算所龙芯团队在2011和2013年、复旦大学曾晓洋教授和虞志益教授团队在2012和2013年都连续发表了处理器方面的ISSCC论文。但直到2016年起，中国大陆地区才开始持续每年都有ISSCC论文发表。

在JSSC方面，国内的早期工作包括1992年宁波师范大学和杭州大学合作发表的全加器，1995年十三所发表的III/V工艺运放，以及1997年上海贝岭杨崇和博士等发表的PLL频综。2004年清华大学刘雷波教授等在JPEG2000编码器、2006年东南大学黄风义教授等在建模、2008年吴南健教授团队在视觉芯片和曾晓洋教授团队在ADC等方向也相继发表了论文。但直到2013年，大陆地区才开始持续每年都有JSSC论文发表。2018年以来，大陆地区的ISSCC和JSSC论文数量呈现快速增长的趋势，与产业发展同步。

以上统计并不包括台湾、香港和澳门三个地区。台湾和香港相比内地，在设计方面的起步时间要早不少，台湾更有独特的代工优势，因此ISSCC和JSSC的爆发曲线也比大陆地区要提前不少。例如台大2005-2007年连续三年ISSCC论文数位居全球高校第一；2007年11篇ISSCC论文甚至位居全球所有单位第一，李致毅教授更是获得ISSCC Beatrice最佳论文奖。香港在当年的港积电流产之后其实也缺乏足够的产业支撑，但得益于其特殊的开放地位、港科大建校的巨额投入、以及当时招募的几位北美顶尖名校博士，也成就了在ISSCC和JSSC的一段辉煌时期。最值得一提的其实是澳门。在一个几乎完全没有产业土壤又没有人才基础的环境里，不懂中文的葡萄牙人马许愿教授经过20多年的持续努力，从无到有带出一支世界顶尖的集成电路设计团队。近几年，澳门大学发表的ISSCC论文数一直位居世界前列，模拟和射频论文数相信是世界第一。路延教授团队更获得了2017年ISSCC远东最佳论文奖。这些成就不单是澳门和中国的骄傲，也是世界集成电路发展中的奇迹。从某种意义上说，澳门大学IC设计的成功和海思的成功一样意义重大。

从ISSCC/JSSC论文看，港澳台地区的IC设计已经处于国际一流水平，而大陆地区目前还处于重点突破和稳步成长的阶段。一些国际水平的研究团队开始出现，但不同方向发展水平还差异较大。例如在低功耗AI芯片方向，今年（2020）ISSCC上的所有3篇论文都出自大陆高校，包括清华大学刘勇攀教授团队2篇和东南大学单伟伟教授团队1篇，体现出明显的优势。射频方向在近几年ISSCC也持续有文章发表。但集成电路领域最传统的方向之一，也是我国现在的卡脖子难题，ADC，大陆地区直到今年才发表了第一篇ISSCC论文，由清华大学刘佳欣博士与UT-Austin孙楠教授团队完成。我们组今年发表的放大器是基本模拟电路，竟也是大陆学术界的第一篇。此外，由于IC工程师的稀缺和技术保密的顾虑，国内产业界发表论文和技术交流的风气还远未形成；适应国情的产学互动与合作模式也有待探索。参考国外和港澳台的发展经历，这些是IC设计行业良性成长的必然需求。

作者介绍：李强，电子科技大学教授，2001年本科毕业后开始从事集成电路设计。博士工作发表了新加坡高校首篇JSSC模拟射频论文。曾担任丹麦奥胡斯大学长聘副教授，目前主持电子科技大学低功耗集成电路与系统研究所。2018年以来，发表ISSCC/JSSC论文11篇。

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