微系统：创新研发合作模式 建设良好生态环境

工业和信息化部电子科技委专用装备组

微系统原来是指MEMS(微机电系统)，是微电子技术从二维向三维发展的结果。两种称谓的内涵相同，只是在欧洲被称为微系统，在美国被称为MEMS，在日本则被称为“微机器”。随着MEMS技术与产品的不断成熟和发展，又开始从微电子向其他领域渗透扩展。当前，微系统是指“集成微系统”，微系统技术着重从微观角度出发，集成各种先进技术，以期实现功能突破。欧洲对微系统技术的定义是：两类以上技术的微集成。集成微系统的概念是由美国在20世纪90年代末率先提出的，即采用异构集成技术将微电子器件、光电子器件和MEMS器件整合集成在一起，开发芯片级集成微系统。

微系统区别于微电子产品的最主要特征是“能看、能动”，即不但拥有计算、存储模块，还新增了感知与执行模块，而且计算与存储模块的性能得到显著提升。此外，再加上电源模块和通信模块，微系统将在未来成为功能完善、性能卓越、体积微小、成本低廉、应用普及的智能型产品，市场前景广阔，但也必然面临激烈的全球市场竞争。

微系统涉及微电子、光电子、MEMS、架构、算法五方面的集成。微电子、光电子和MEMS器件是微系统的核心硬件，而架构和算法是构筑微系统的宏观基础。架构需要综合考虑微电子、光电子、微机械学科知识，包括逻辑架构和物理架构，架构是根据用户核心需求敏捷设计出功能完善、结构紧凑以及声光电性能与几何、质量、机动性能均衡的微系统的基础。算法是优化系统性能、提升系统智能化水平、具备二次开发定制能力的基础。

技术不断提高

●目前我国微电子设计水平已进入纳米级，并且也开始涉及SoC的设计。我国MEMS正处于科研攻关与小批量生产阶段。

●今后光电子集成电路将继续沿着高速、高可靠、小型、多功能、提高集成度、降低成本等方向发展。

美国将微系统作为核心技术之一来重点发展。目前，国外在器件级和模块级、系统小型化技术方面已经取得不少成果，但在系统微型化、系统工程化制造工艺方面仍处于技术攻关阶段。微系统设计主要以现有微电子、MEMS的设计仿真平台为基础，增强异构工艺兼容设计能力，并向纳米尺度的设计水平发展。

目前，我国已在不同层面对微系统开展了多个领域的研究。我国在片上系统(SoC)、系统封装(SiP)、微波毫米波单片集成电路(MIMIC)、红外焦平面探测阵列组件(1RFPA)、低温共烧陶瓷组件(LTCC)、微机电系统(MEMS)等方面都在努力攻关并已经取得不同程度和水平的重要成果，这些都为微系统的研究提供了器件和工艺技术基础。

近几年，在国家相关政策的大力支持下，国内硅基微电子技术水平不断提高，与国际先进水平的距离逐渐缩小。总体来看，当前我国硅基微电子技术有以下特点：

第一，超深亚微米集成技术研究逐渐接近国际先进水平。由于多方面的原因，我国在这一领域的研究工作长期处于劣势，不能与国际先进水平相提并论。在 “863”及科技重大专项等项目的支持下，微电子基础条件较好的单位率先开展了面向超深亚微米集成技术的研究，在新型器件结构和器件模型等方面的研究取得了一定的进展。在国内首次完成了亚30纳米CMOS器件及关键工艺技术研究，研制完成了27纳米CMOS器件，在指标方面已接近国际先进水平，为我国微电子向亚50纳米集成技术的发展奠定了技术基础。

第二，集成电路设计水平提高，规模扩大。经过近几年的发展，芯片设计水平明显提高，目前自主设计的芯片产品已涉及CPU、数字信号处理器、高档IC卡、数字电视和多媒体、3G手机以及信息安全等6大领域。IC设计水平达到0.13微米、90纳米、65纳米，在具有自主知识产权核心芯片的开发及其产业化方面也取得了可观的突破，逐渐从以往的“低端模仿”走向以技术创新为主的“高端替代”。

第三，微电子材料和基础制造设备研究进步明显。在微电子单晶硅材料制造设备方面，达到了国内主流工艺水平的要求，接近国际先进水平，微电子关键制造设备的研究取得了突破性的进展。

总之，微电子技术是当代科学技术中发展速度最快的技术之一，目前我国微电子设计水平已进入纳米级，并且也开始涉及SoC的设计。
在国内光电子技术方面，目前单片光电子集成器件产品还不多，大多还处于实验室研究阶段，而且主要是光集成器件如波分复用系统用的多波长集成阵列光源、多路光接收机、可调波长光源、集成光收发机以及用于光存储的集成光斑尺寸变换激光器等。今后光电子集成电路将继续沿着高速、高可靠、小型、多功能、提高集成度、降低成本等方向发展。随着材料技术与工艺技术的进一步突破，单片光电子集成器件产品大量涌现的日子已为期不远。

国际MEMS器件经过20余年的发展，已经形成多门类的产品系列和数以十亿美元计的市场规模，它们可用作压力传感器、加速度计、陀螺等。目前，我国MEMS正处于科研攻关与小批量生产阶段，其中，由不动的部件构成的 MEMS已形成批量生产，如RF滤波器、压力传感器等；具有可动部件的MEMS如微陀螺等暂时还处于科研攻关阶段。

随着MEMS技术的发展，采用该技术的微机电传感器研发事业正在壮大。由于MEMS技术的引入，在微米/纳米尺度上微机理作用突显，传感器的相应设计规则也发生了变化。这其中包括微机械应力的获取规则、微小电容检测的规则、温度漂移的引入规则等。同时，在MEMS执行器方面，也出现了诸如静电驱动深宽比法则、驱动稳定性条件等十分重要的问题。这些问题在宏观机械领域起的作用不大，因而没有受到很大重视，需要在研发MEMS传感器技术的同时逐步加以解决。

存在四大问题

●我们需要在MEMS与微电子结合方面深入研究，力争自主创新工艺标准，开发具有自主知识产权的纳米级设计与仿真平台。

●需要形成优势互补、力量整合、产业链完整、富有“基础创新”和“原始创新”动力的产学研用结合“生态系统”。

虽然我们在微系统设计领域已经具备一定基础，但是仍存在以下四方面的问题：

第一，存在微电子和MEMS设计落后的问题。由于微系统是异构技术的集成系统，因此某类技术的设计能力不足自然成为制约微系统设计发展的一大因素。例如纳米尺度的微电子和MEMS设计能力不足，先进软件设计与仿真平台依赖国外产品，导致我们在自主开发具有多模多接口的MEMS软件设计平台(纳米尺度)时存在困难。此外，先进微电子制造工艺是我国的弱项，利用微电子技术形成MEMS加工线也成为微系统研究的另一瓶颈，使我们在微系统器件的大规模制造方面仍然落后。因此，我们需要在MEMS与微电子结合方面深入研究，力争自主创新工艺标准，开发具有自主知识产权的纳米级设计与仿真平台。[!--empirenews.page--]

第二，需求的超前探索和系统性研究不够。国内正处于需求突破的前夜，未来的物联网、信息、航天、航空等领域对微系统的需求很强烈。虽然需求旺盛，但大多“参照国外”，没有形成系统性的需求牵引。这样容易导致我国的微系统设计平台在功能和性能上落后于国外一段时间，而这段时间差又容易导致国外微系统产品抢先占领市场，使国产微系统设计平台失去市场竞争力，可能重现微电子时代的被动局面。

第三，基础科研能力不足。基础科研能力不足是我国长期面临的问题，因此需要以重大专项的成果为基础，继续加快微系统研发方面的基础科研能力的提升，以各种措施和手段从根本上提高我国微系统设计的总体水平。

第四，推动微系统设计发展的“生态系统”模式建设。微系统研究的成本非常高，项目投资风险大，资金的筹措和合理运用以及成果转化尤其重要，因此需要形成优势互补、力量整合、产业链完整、富有“基础创新”和“原始创新”动力的产学研用结合“生态系统”(共同投资、共担风险、通力合作、成果共享)。而我国在这方面与国外差距较大，难以适应未来微系统设计发展过程中将要面临的激烈国际竞争的形势。

以设计带动整体发展

●一方面需要重点围绕微系统“设计”开展突破性研究，另一方面也要加强制造工艺的研究。

●建议超前部署微系统的顶层设计和应用研究，结合我国国情系统性地开展需求研究，突破一系列关键技术后，大力发展微系统产业。

我国在微系统研究领域虽然已经取得一定成果，但材料、制造工艺水平落后是必须面对的问题。因此，我们一方面需要重点围绕微系统“设计”开展突破性研究，在设计技术(尤其是三维异构设计)上达到国际先进水平，参与国际竞争，在全球微系统产业链的中游占据有利位置，逐步带动上游材料、制造工艺水平的发展和下游系统与整机研制水平的提高，最终形成材料、设计、制造、系统研发的全面技术优势。另一方面也要加强制造工艺的研究。因为只有制造工艺水平得到提升，使之接近发达国家水平，才能真正做好纳米尺度的物理设计，反过来大幅度提高我国的微系统设计水平。

此外，应优先按照后摩尔定律发展。由于后摩尔定律是微系统发展的主导定律，因此微系统设计要以支持“功能翻番”为基本原则，尤其是在“尺度缩小”方面相对落后二代的现实下，这符合我国当前的技术发展水平现状和用户实际需求。以在“功能翻番”方面的设计优势弥补“尺度缩小”方面的技术差距，带动纳米尺度微系统设计的发展，努力实现“功能翻番”和“尺度缩小”的复合发展。

适时向纳米尺度设计发展。虽然建议优先按照后摩尔定律发展，与国外竞争对手开展“差异化”竞争，但是国外企业势必也会在这方面做出很多努力，通过不断的“本土化”策略来缩小与中国企业在这方面的差距。因此，在我们还保持这个优势的时间段内，需要加快向“纳米尺度设计”发展的步伐。

重点突破，典型示范。微系统在很多方向都具有高价值的应用前景，但结合我国技术发展水平和近5年的现实需求，应该有选择、有重点地开展技术突破。

寻求商业模式的创新。商业模式对于新兴技术和产业的发展至关重要，合适的商业模式能够加速其发展，而不恰当的商业模式则会阻碍甚至扼杀新技术和产品。

因此，建议超前部署微系统的顶层设计和应用研究，结合我国国情系统性地开展需求研究，突破一系列关键技术后，大力发展微系统产业。

后摩尔定律将推动设计革新

●后摩尔定律的内涵是“功能翻番”。企业不必一味追求系统“特征尺寸的缩小”，而要以“功能翻番”作为新的利润增长点。

●随着三维集成技术的发展，未来的微系统产品将在体积与重量、性能、智能化水平方面取得巨大进步。

自摩尔定律首次预测硅片上晶体管的数量每18个月翻一番以来，制造商一直追求的都是生产力收益。这一巨大的生产力收益成就了今天我们随处可见的电子应用，但是随着晶体管的密度增加，开发相应生产工艺的成本也随之增加。结果是，实现“特征尺寸最小”的CMOS技术也成为最昂贵的CMOS技术，尺寸与经济的平衡点即将被打破。

后摩尔定律的内涵是“功能翻番”。按照后摩尔定律，企业不必一味追求系统“特征尺寸的缩小”，而要以“功能的翻番”、“为用户提供高附加值服务”作为新的利润增长点。

遵循“后摩尔定律”的规律，将RF器件、功率管理系统、生物芯片、传感器及MEMS等和信号处理器、存储芯片用SoC和SIP系统集成，以得到功能的大幅提高。将CMOS技术与混合集成技术相结合无疑会为消费者带来更多的价值。这些技术的融合与转变还将影响微系统设计方法、建模和特性以及系统架构。最终，现有的联合研发模式将发生改变，新的生态系统将形成(供应链将变得更加复杂，但也存在新的机会)。

三维集成技术将成为主流。三维集成技术可以解决两个非常重要的核心问题：一是发展摩尔定律，实现晶体管密度的翻番和芯片性能的提升，只有3D的IC 才能超越摩尔定律；二是实现后摩尔定律追求的功能翻番——— 将异构器件/模块集成。

预测到2016年前后，将批量生产22纳米的集成电路，追求特征尺寸缩小的速度会减慢，因利用先进CMOS技术开发SoC的成本飞涨，而是更多采用三维集成技术向立体空间发展，一方面增加晶体管密度，提高微电子产品性能；另一方面将异构器件/模块集成，实现功能多样化，促进微系统产品的发展。

从几何学角度看，三维集成是指为了提高密度、性能和可靠性，在晶圆的水平和垂直方向继续缩小特征尺寸，还包括与此相关的3D结构改善等非几何学工艺技术以及运用新材料改善晶圆的电性能。

随着三维集成技术的发展，未来的微系统产品将在体积与重量、性能、智能化水平方面取得巨大进步。

微系统设计向纳米尺度发展。1纳米相当于两个原子的宽度，应用纳米技术不仅是希望把产品做得“更小”，而是要超越硅技术，取得更好的电磁性能等方面的特性。当前的芯片正在向100微米以下的厚度发展，更加轻薄，即可以在一块基板上集成更多芯片以实现更多的功能，同时散热性、可靠性都大大提高。

与生物和新材料技术相结合。通过开发从生活系统中获得灵感的材料、工艺和设计，开发具有自主性和适应性的新系统。[!--empirenews.page--]

与信息系统实现一体化。未来微系统与大系统之间的形态界限将趋于模糊，但逻辑界限会越来越清晰，实现一体化是必然结果。随着民用物联网和军用信息基础设施的不断发展完善，微系统势必向网络化、智能化、信息系统一体化方向发展，实现自组织、自主活动、人为远程遥控。

创新研发合作模式

●需要由国家出面制定微系统产业的国家发展战略、规划技术发展路线图，超前部署微系统的顶层设计和应用研究。

●企业的创新方向将是为用户量身订制功能多样化的产品，为用户提供高附加值的增值服务。

微系统技术是包含多种交叉学科的高、精、尖技术，其研究水平在一定程度上反映出国家的基础科研水平，各国都在竞相发展，我国绝不能落后。为促进微系统设计的发展，提出五点对策建议。

第一，组织落实，调整结构。作为基础性、战略性、先导性产业，我们必须给予高度重视，需要由国家出面组织力量建立多层次、经常化的交流研讨机制，长期、反复科学论证，制定微系统产业的国家发展战略、规划技术发展路线图，超前部署微系统的顶层设计和应用研究。并考虑打破传统的专业分工限制，使元器件研制、系统研制、软件研发等单位能够共同参与微系统研发，优势互补，力量整合。

第二，集中资源，加大投入力度。统一科研规划，凝练一批重大工程项目，加强微系统研发能力的建设。

第三，创新微系统研发的合作模式。微系统是与应用紧密相关、网络化、智能化、能看能动的“系统”，因此需要系统或整机研制单位、软件研发单位、元器件研制单位强强合作、优势互补，共同攻关这一前沿交叉学科。

第四，重点培育具有创新能力的企业。无论是微电子产业还是微系统产业，发展壮大的规则都是“创新”。只不过创新的大方向有所改变，以前微电子产业的创新方向是遵循摩尔定律的“尺度不断缩小”，但这使得研发成本持续攀高，在达到22纳米制程时将达到经济性平衡点。未来需要依据新的规则，引爆新的增长点，创造新的机会。依据后摩尔定律发展的微系统产业将蓬勃发展，届时企业的创新方向将是为用户量身订制功能多样化的产品，为用户提供高附加值的增值服务。

企业是推动微系统工程化、产业化的主力。因此，对于那些通过对现有及新兴技术有创意的结合(实现异构器件/模块的三维集成)、为客户量身订制智能解决方案、有创新精神和创新能力的企业，一定要重点培育，通过各种途径帮助他们降低研发成本，加快产品上市时间，以使他们创造可观的利润并逐步扩大市场份额。这不仅会使这些公司受益，最终会使整个社会受益。

第五，加强领军人才的引进与培养。科技的根本在人才，人才是科技发展的首要资源、是科技创新的第一能力要素。微系统技术的未来发展更加迫切地需要高层次的领军人才。面对复杂的国际国内形势，唯有坚定不移地实施人才战略，发挥我国人才资源丰富的潜在优势，走依靠人才、特别是核心人才提升我国高科技信息电子工业能力建设的道路，才是我们的必然选择。

因此，我们建议要加强与高校和研究院所的联合，开展多种形式如委培、联合招生、提供实验手段等方式的联合培养，促进产学研用一条龙式发展，更快地使研究的成果投入试用，发挥更大的效果。

(本文摘自工业和信息化部电子科技委专用装备组《微系统总体发展研究》报告)