集成電路產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展靠的是創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，比如從平面到三維的器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，從硅材料到化合物半導(dǎo)體、碳基材料的創(chuàng)新，從紫外線光刻到極紫外光刻設(shè)備的創(chuàng)新等等。這些創(chuàng)新萬(wàn)變不離其宗，無(wú)一不是來(lái)自數(shù)十年的基礎(chǔ)研究成果積累。

當(dāng)前，集成電路已發(fā)展到“后摩爾時(shí)代”。不再僅以“每?jī)赡昙啥忍岣咭槐?rdquo;為主要指標(biāo)，而是以“降低功耗、提高性能功耗比”作為發(fā)展標(biāo)尺。現(xiàn)在的集成度已達(dá)到一個(gè)指甲蓋大小的芯片上，可以集成超過(guò)全世界人口數(shù)量（超70億）的晶體管。每個(gè)晶體管都需要能源供給并散發(fā)熱量，導(dǎo)致芯片能耗高，不利于廣泛應(yīng)用，比如手機(jī)出現(xiàn)發(fā)熱問(wèn)題。我們可以采用新原理、新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)器件及其新型集成電路架構(gòu)，降低單個(gè)晶體管的漏電流和電源電壓，芯片靜態(tài)功耗就會(huì)降低。對(duì)于更重要的動(dòng)態(tài)功耗，不同集成電路功能不同，動(dòng)態(tài)功耗各異，功耗降低以后可以再增加晶體管集成度，進(jìn)一步提高性能。在“后摩爾時(shí)代”，集成電路技術(shù)有4個(gè)發(fā)展方向。

繼續(xù)縮小尺寸。最初，集成電路加工尺寸為10微米，現(xiàn)在最先進(jìn)的加工技術(shù)已達(dá)到10納米以下。10微米是1納米的1萬(wàn)倍，這相當(dāng)于普通自行車車輪直徑和一根頭發(fā)絲直徑的比例。加工尺寸越小，同樣面積的硅片上就能容納更多晶體管，從而處理更多信息；同時(shí)，加工尺寸越小，晶體管的柵長(zhǎng)就越短，電信號(hào)在晶體管內(nèi)以及晶體管之間的傳輸速度就越快。一般來(lái)說(shuō)，加工尺寸為上一代工藝節(jié)點(diǎn)的0.7倍時(shí)，晶體管面積縮小50%，集成電路性能提升1倍。當(dāng)集成電路進(jìn)入2納米技術(shù)代時(shí)，每平方毫米的硅片上可容納3.3億個(gè)晶體管。

將不同功能的芯片通過(guò)系統(tǒng)集成和三維封裝等方式組合，以滿足集成電路多功能應(yīng)用需求。如將不同工藝、不同材料、不同功能的數(shù)字電路、存儲(chǔ)電路、模擬電路、射頻電路、高壓電路、功率電路、驅(qū)動(dòng)電路、傳感器與執(zhí)行器、生物芯片等封裝在一起，形成一個(gè)多功能集成系統(tǒng)模塊，進(jìn)而組成一個(gè)全新的、完整的電子系統(tǒng)，以適應(yīng)不同領(lǐng)域、不同場(chǎng)合的應(yīng)用需求。這就相當(dāng)于只用一個(gè)集成系統(tǒng)模塊，就可以承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的功能，好比不同軍種組合成一個(gè)集團(tuán)軍，以完成多樣化任務(wù)。

器件結(jié)構(gòu)革新。開發(fā)量子器件、單電子器件、石墨烯器件、仿生類腦器件等。晶體管是集成電路的核心器件，最初的晶體管是雙極型結(jié)構(gòu)，后來(lái)金屬氧化物半導(dǎo)體器件誕生，成為主流集成電路器件結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在，平面的金屬氧化物半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S的鰭形柵結(jié)構(gòu)，并正向環(huán)形柵方向發(fā)展。每一次器件結(jié)構(gòu)革新，都會(huì)帶來(lái)集成電路技術(shù)重大進(jìn)步。量子器件和單電子器件是晶體管工作原理上的革新，石墨烯器件是晶體管材料的革新，仿生類腦器件則是模擬神經(jīng)元人腦突觸的器件。這種革新為集成電路的創(chuàng)新應(yīng)用提供更多可能，如仿生類腦器件將為人工智能網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用插上翅膀。

與其他學(xué)科結(jié)合，產(chǎn)生多種集成微納系統(tǒng)。集成電路與其他學(xué)科具有十分廣泛的交叉性，而交叉點(diǎn)往往是創(chuàng)新點(diǎn)。國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)批準(zhǔn)設(shè)立“集成電路科學(xué)與工程”一級(jí)學(xué)科時(shí)，就將其列為交叉學(xué)科中的第一個(gè)學(xué)科。集成電路與精密機(jī)械結(jié)合，誕生了微機(jī)電系統(tǒng)，例如硅陀螺，精度好、可靠性高，現(xiàn)已應(yīng)用于汽車、飛機(jī)和船舶等，凡是需要導(dǎo)航的地方都可以應(yīng)用；與生物學(xué)結(jié)合，誕生了可穿戴的、檢測(cè)人們身體指標(biāo)的各種芯片。

建立新形態(tài)信息技術(shù)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)。這方面，手機(jī)的發(fā)展是典型案例。手機(jī)最初是通信范圍有限的模擬式“大哥大”，之后是可以接打電話的數(shù)字式按鍵撥號(hào)手機(jī)，并有了漢字顯示功能，屏幕由黑白轉(zhuǎn)為彩色，觸屏取代了實(shí)體按鍵，還進(jìn)一步成為替代相機(jī)的隨身工具。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展，手機(jī)獲取和傳輸文字、聲音、圖像的速度，已經(jīng)能夠“手到擒來(lái)”。一部手機(jī)，在集成電路技術(shù)推動(dòng)下，從“電話”變成了人們必備的智能信息中心。與之相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物、網(wǎng)絡(luò)直播等新形態(tài)信息產(chǎn)業(yè)正在形成，與此同時(shí)，以信件、郵票、郵遞員為主的郵電產(chǎn)業(yè)也在適應(yīng)變化、升級(jí)迭代。未來(lái)，隨著物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件等學(xué)科和相應(yīng)技術(shù)的進(jìn)步，集成電路將繼續(xù)推動(dòng)信息技術(shù)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，為人們工作生活帶來(lái)更多便利和新的可能。

未來(lái)，集成電路將在更多維度和更大空間發(fā)展起來(lái)，前景廣闊，信息化社會(huì)和數(shù)字時(shí)代需要這樣的“引擎”。世上無(wú)難事，只要肯登攀。相信這一朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)將從多維度、多方面推動(dòng)我國(guó)信息化和數(shù)字化發(fā)展。

（作者為中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)教授）