研讨会精华分享六：从BSIM和FinFET成功看芯片产品的创新

11月16日，由深圳市有限元科技有限公司&达索系统Simulia联合主办的“第二届电子产品性能设计提升研讨会”，在深圳深航酒店成功召开。此次“电子产品性能设计提升”主题研讨会，旨在通过会议搭建一个开放的技术交流平台，分享电子产品设计方面的成果与经验，共同探讨电子领域面临的技术难题。以下，将为大家分享会议精华六：从BSIM和FinFET成功看芯片产品的创新（北京大学深圳系统芯片设计重点实验室主任何进博士报告）。

    芯片产业背景    

今年4月，美国商务部宣布对中兴实施禁售，因为后者违反了去年与美国商务部达成的和解协议。在中国政府的斡旋联系下，美国政府最终在7月份解除了对中兴的禁令，但中兴不得不向美国政府缴纳了10亿美元罚金和4亿美元的托管金。加上2017年和解协议的12亿美元罚金，美国政府对中兴的总罚金超过了25亿美元。

中兴事件落下帷幕不到三个月，美国政府再次对中国科技企业实施禁售令。这次遭殃的是福建晋华集成电路有限公司，美方称其存储芯片急剧扩张产能将给美国供应商带来严重风险(Significant risk)，因此禁止美国企业向后者出售技术和产品。

中兴、晋华事件让我们认识到了国内核心技术落后及重要性，对中国科技创新自力更生生态链的启示：

1、借鉴硅谷模式，建立核心的科技创新生态链。

2、产学研官紧密结合，促进开放式科技创新体系发展。

产学研结合的增长新模式 

从美国和其他发达国家及地区经验可知，推动经济持续发展的重要引擎是创新科技。美国50%-80%的GDP增长由创新科技产生，而硅谷等高科技中心和地区是美国GDP主要增长点和驱动力。

只要我们能把握好创新科技发展模式，深度整合全球产业环境优势资源，我们肯定能摆脱过去30年粗放型（人口、环境、土地、能源依赖式）发展模式，实现中国经济未来30年的高速增长。

向硅谷学习，建立创新生态链，建立我们自己独特的发展模式，是实现创新驱动，伟大中国复兴梦的关键。何进博士亲身经历的硅谷附近UCB的BSIM和FinFET故事，也许有助理解我们如何建立自己的IC科技创新生态链？ 

    BSIM和FinFET成功借鉴    

摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。摩尔定律描述的现象，对现代世界产生的影响可以说超过其他任何现象。过去40年里，计算能力呈指数级提升，以各种方式改变了我们的生活，造就了从万维网、智能手机到物联网(Internet of Things)的各种各样的奇迹。

在芯片的发展过程中并不是一帆风顺的，如上图中红色部分称为“红墙”，就表示在研发过程中碰到的种种难题。但是技术的进步，却让我们打破客服种种挑战：在90纳米时，应变硅发明了；45纳米时，增加每个晶体管电容的分层堆积在硅上的新材料发明了。22纳米时，三栅极晶体管的出现保证了缩小的步伐。芯片的发展是否走到了极限，这仍是一个难以判断的问题。

芯片非常重要，是国家的战略先导型产业，芯片产业涉及到很多的环节，中兴晋华事件让我们了解到在芯片产业上我们事实上是全方位的落后，在材料、设备、设计方法工具、工艺技术、设计、封装测试这六个各环节都有着巨大的差距。本次报告介绍BSIM故事主要是因为全球99%的芯片厂在90nm以后都采用BSIM的模型，成为世界的标准及基本工具，希望借BSIM的成功经验发展国家的芯片产业。

BSIM的故事

BSIM来自伯克利，就是电子和计算机工程系，里面有一个小组叫Device Group，第一位是Jeffrey Bokor，第二位是Chenming Hu，第三位是Tsu-Jae King-Liu，第四位是AliNiknejad。其中三位是美国工程院的院士，有两位是华人之光，一位是胡正明教授，一位是Jsu-Jae King-Liu教授，他们直接促成了的BSIM和FinFET的成功。

BSIM的成功，何进博士讲了转型创新生态链要建立大学、企业、政府和民间社会合作能够成功的主要模式。深圳的IC设计是中国的NO.1，但要使用设计工具，深圳政府每年将近1亿的价格要找国际巨头购买IC设计的EDA工具，但IC的设计工具的核心Core是来自伯克利的。BSIM的全称是Berkeley Short-Channel IGFET Model，是IC设计的工具，其中涉及一些编程IT人员要做的软件工程，还涉及到来自提供资金的人，以及来自产业界的标准化设计，最重要的是产业界与Device Group合作的一些结果。BISM之所以能成为国际的IC工具，被国家上90%以上的芯片设计公司采用，因为它是一个非常好的平台，随工艺的研发，技术及电路的发展而进步，所以它这方面是一个社会型的工程。

何进博士在伯克利进行BSIM研发时，每个月都要去硅谷一次。甚至像Intel、IBM会来到Device Group的小组做应用开发的报告。研发动机是来自产业界的需求，而产业界应用的结果会反馈给我们的研究小组，研究小组需要不断改进，这就是美国的创新生态链。美国与EE研究相关的，钱大部分来自产业界，而不是来自政府。在中国，老师绝大部分的钱来自政府，而不是来自产业界。但在美国，有全球26家顶尖的IT公司，包括鼎鼎有名的IBM、TI、Intel以及东芝、索尼这些大公司组成的SRC联盟，他们出钱、出题目，大学的教授能做这些研究项目，做的结果能分享。这是他们的模式，和中国完全不同，中国的教授每天忙着申请政府的钱。今天不同了，像华为海思的研发成本在整个销售占很高的比例，中国的产学研、中国创新环境可以逐渐改变，需要我们的共同努力。

FinFET的故事

说到科技创新战略，刚才讲的是16纳米到10纳米的进步，甚至将来的7纳米，都可以采用的基本结构是FinFET，这更是大学、公司、政府、民间相互合力的创造。

FinFET最先是1996年美国DAPAR项目支持的一个预研项目，仅仅20多万美元。1998年UCB DEVICE GROUP已经制出45纳米的芯片，所以1999年在旧金山IEDM会议上发表了这样一篇文章。2002年有AMD，过去也是做研发或生产CPU的，宣布10纳米的FinFET可以用于工业标准的technology。到2004年台积电宣称5纳米的FinFET实验成功。到2006年IBM和Intel同时宣布，使用FinFET结构，功能提高30%。一直到2014年底，华为使用台积电16纳米的技术加工出华为麒麟芯片，2014年三星宣布了14纳米的FinFET芯片，CortexA7和A15。2015年台积电和三星同时为苹果加工A9芯片，应该是iPhone6到iPhone7，全部采用FinFET工艺和技术。

FinFET的发明人就是胡正明教授（何进博士的导师），它最基本的结构是把芯片从二维变成三维，从平面变成立体。从物理上来讲，能够用于25纳米以后，一直到7纳米都可以采用这种基本的FinFET结构，进一步提高手机的速度，提高电脑的功能，降低它的功耗。

2015年12月，奥巴马宣布胡正明教授因为FinFET发明影响人类的生活而获得美国最高科技奖，亲自给胡正明教授颁发最高科技奖，原因是胡正明教授带着他的小组发明了FinFET，2015年FinFET in all top Cell Phones and Computers上都用到了，正在影响到我们的日常生活。高性能的苹果、三星和华为的手机都采用FinFET的结构，才有今天的性能。因为FinFET的成功，华为海思与胡正明教授的合作，胡教授他被称为“麒麟之父”。华为的手机在2015年以前，应该说和联想、中兴的手机是同一层级。前段时间的报告说华为的手机销量首次超越苹果，成为全球No.2，主要得益于其芯片的成功。

    归国后研究成果    

总结

关于科技创新，何进博士介绍了在BSIM和FinFET研发时就有和硅谷的互动。要建立创新生态链，借鉴国外的先进方式，硅谷就是对标的主要目标。我们的转型发展就要集中于科技创新生态链的建立。

一体化合作：研发一体化合作和要素一体化合作。

共同创造价值：无论是研究者还是生产者、投资者、消费者，每增加一个创新者，都会使所有创新主体边际收益增加，总价值也增加。创新活动中人才、知识、技术等无形投入较多，更多创新者进入则意味着可变资本增加，创新总价值会出现乘数化增加。

快速采纳：由于研发、生产、应用一体化，用户已经从创新的局外人变成创新的内部人，创新由以产品为中心转变为以用户为中心，在生产、应用中研发，在研发中生产、应用，产品和服务推出之日就是用户使用之时。

创新生态系统：创新体系不仅限于个人、个别企业或大学，而成为跨越政治、经济、文化、社会和环境各领域，连接发明者、投资者、生产者和消费者的自组织系统，就像自然生态系统一样。

BSIM和FinFET的IC成功给了我们很好的借鉴和参考，从政府层面发挥主导作用，加强“产学研”，提高人才待遇、改善就业环境，吸引海外人才、培养本土人才，方能坚持自主发展的独立性，抓住此次产业转移趋势及新一代信息产业的高速发展机遇，最终提高国家竞争力。在新一代信息技术产业（人工智能、5G、第三代半导体、汽车电子、超高清视频终端等）的高速发展即将到来之际，芯片产业的重要性愈加凸显，元王CAE仿真专家愿与业内专家共同努力创新发展。