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微系統（MEMS）：創新研發合作模式
作者：工業和信息化部電子科技委專用裝備組
來源：中國電子報
日期：2010-07-16 08:44:19
摘要：微系統：創新研發合作模式 建設良好生態環境,工業和信息化部電子科技委專用裝備組微系統原來是指MEMS(微機電系統)，是微電子技術從二維向三維發展。
工業和信息化部電子科技委專用裝備組
微系統原來是指MEMS(微機電系統)，是微電子技術從二維向三維發展的結果。兩種稱謂的內涵相同，只是在歐洲被稱為微系統，在美國被稱為MEMS，在日本則被稱為“微機器”。隨著MEMS技術與產品的不斷成熟和發展，又開始從微電子向其他領域滲透擴展。當前，微系統是指“集成微系統”，微系統技術著重從微觀角度出發，集成各種先進技術，以期實現功能突破。歐洲對微系統技術的定義是：兩類以上技術的微集成。集成微系統的概念是由美國在20世紀90年代末率先提出的，即采用異構集成技術將微電子器件、光電子器件和MEMS器件整合集成在一起，開發芯片級集成微系統。
微系統區別于微電子產品的最主要特征是“能看、能動”，即不但擁有計算、存儲模塊，還新增了感知與執行模塊，而且計算與存儲模塊的性能得到顯著提升。此外，再加上電源模塊和通信模塊，微系統將在未來成為功能完善、性能卓越、體積微小、成本低廉、應用普及的智能型產品，市場前景廣闊，但也必然面臨激烈的全球市場競爭。
微系統涉及微電子、光電子、MEMS、架構、算法五方面的集成。微電子、光電子和MEMS器件是微系統的核心硬件，而架構和算法是構筑微系統的宏觀基礎。架構需要綜合考慮微電子、光電子、微機械學科知識，包括邏輯架構和物理架構，架構是根據用戶核心需求敏捷設計出功能完善、結構緊湊以及聲光電性能與幾何、質量、機動性能均衡的微系統的基礎。算法是優化系統性能、提升系統智能化水平、具備二次開發定制能力的基礎。
技術不斷提高
●目前我國微電子設計水平已進入納米級，并且也開始涉及SoC的設計。我國MEMS正處于科研攻關與小批量生產階段。
●今后光電子集成電路將繼續沿著高速、高可靠、小型、多功能、提高集成度、降低成本等方向發展。
美國將微系統作為核心技術之一來重點發展。目前，國外在器件級和模塊級、系統小型化技術方面已經取得不少成果，但在系統微型化、系統工程化制造工藝方面仍處于技術攻關階段。微系統設計主要以現有微電子、MEMS的設計仿真平臺為基礎，增強異構工藝兼容設計能力，并向納米尺度的設計水平發展。
目前，我國已在不同層面對微系統開展了多個領域的研究。我國在片上系統(SoC)、系統封裝(SiP)、微波毫米波單片集成電路(MIMIC)、紅外焦平面探測陣列組件(1RFPA)、低溫共燒陶瓷組件(LTCC)、微機電系統(MEMS)等方面都在努力攻關并已經取得不同程度和水平的重要成果，這些都為微系統的研究提供了器件和工藝技術基礎。
近幾年，在國家相關政策的大力支持下，國內硅基微電子技術水平不斷提高，與國際先進水平的距離逐漸縮小。總體來看，當前我國硅基微電子技術有以下特點：
第一，超深亞微米集成技術研究逐漸接近國際先進水平。由于多方面的原因，我國在這一領域的研究工作長期處于劣勢，不能與國際先進水平相提并論。在“863”及科技重大專項等項目的支持下，微電子基礎條件較好的單位率先開展了面向超深亞微米集成技術的研究，在新型器件結構和器件模型等方面的研究取得了一定的進展。在國內首次完成了亞30納米CMOS器件及關鍵工藝技術研究，研制完成了27納米CMOS器件，在指標方面已接近國際先進水平，為我國微電子向亞50納米集成技術的發展奠定了技術基礎。
第二，集成電路設計水平提高，規模擴大。經過近幾年的發展，芯片設計水平明顯提高，目前自主設計的芯片產品已涉及CPU、數字信號處理器、高檔IC卡、數字電視和多媒體、3G手機以及信息安全等6大領域。IC設計水平達到0.13微米、90納米、65納米，在具有自主知識產權核心芯片的開發及其產業化方面也取得了可觀的突破，逐漸從以往的“低端模仿”走向以技術創新為主的“高端替代”。
第三，微電子材料和基礎制造設備研究進步明顯。在微電子單晶硅材料制造設備方面，達到了國內主流工藝水平的要求，接近國際先進水平，微電子關鍵制造設備的研究取得了突破性的進展。
總之，微電子技術是當代科學技術中發展速度最快的技術之一，目前我國微電子設計水平已進入納米級，并且也開始涉及SoC的設計。
在國內光電子技術方面，目前單片光電子集成器件產品還不多，大多還處于實驗室研究階段，而且主要是光集成器件如波分復用系統用的多波長集成陣列光源、多路光接收機、可調波長光源、集成光收發機以及用于光存儲的集成光斑尺寸變換激光器等。今后光電子集成電路將繼續沿著高速、高可靠、小型、多功能、提高集成度、降低成本等方向發展。隨著材料技術與工藝技術的進一步突破，單片光電子集成器件產品大量涌現的日子已為期不遠。
國際MEMS器件經過20余年的發展，已經形成多門類的產品系列和數以十億美元計的市場規模，它們可用作壓力傳感器、加速度計、陀螺等。目前，我國MEMS正處于科研攻關與小批量生產階段，其中，由不動的部件構成的MEMS已形成批量生產，如RF濾波器、壓力傳感器等；具有可動部件的MEMS如微陀螺等暫時還處于科研攻關階段。
隨著MEMS技術的發展，采用該技術的微機電傳感器研發事業正在壯大。由于MEMS技術的引入，在微米/納米尺度上微機理作用突顯，傳感器的相應設計規則也發生了變化。這其中包括微機械應力的獲取規則、微小電容檢測的規則、溫度漂移的引入規則等。同時，在MEMS執行器方面，也出現了諸如靜電驅動深寬比法則、驅動穩定性條件等十分重要的問題。這些問題在宏觀機械領域起的作用不大，因而沒有受到很大重視，需要在研發MEMS傳感器技術的同時逐步加以解決。
存在四大問題
●我們需要在MEMS與微電子結合方面深入研究，力爭自主創新工藝標準，開發具有自主知識產權的納米級設計與仿真平臺。
●需要形成優勢互補、力量整合、產業鏈完整、富有“基礎創新”和“原始創新”動力的產學研用結合“生態系統”。
雖然我們在微系統設計領域已經具備一定基礎，但是仍存在以下四方面的問題：
第一，存在微電子和MEMS設計落后的問題。由于微系統是異構技術的集成系統，因此某類技術的設計能力不足自然成為制約微系統設計發展的一大因素。例如納米尺度的微電子和MEMS設計能力不足，先進軟件設計與仿真平臺依賴國外產品，導致我們在自主開發具有多模多接口的MEMS軟件設計平臺(納米尺度)時存在困難。此外，先進微電子制造工藝是我國的弱項，利用微電子技術形成MEMS加工線也成為微系統研究的另一瓶頸，使我們在微系統器件的大規模制造方面仍然落后。因此，我們需要在MEMS與微電子結合方面深入研究，力爭自主創新工藝標準，開發具有自主知識產權的納米級設計與仿真平臺。
第二，需求的超前探索和系統性研究不夠。國內正處于需求突破的前夜，未來的物聯網、信息、航天、航空等領域對微系統的需求很強烈。雖然需求旺盛，但大多“參照國外”，沒有形成系統性的需求牽引。這樣容易導致我國的微系統設計平臺在功能和性能上落后于國外一段時間，而這段時間差又容易導致國外微系統產品搶先占領市場，使國產微系統設計平臺失去市場競爭力，可能重現微電子時代的被動局面。
第三，基礎科研能力不足。基礎科研能力不足是我國長期面臨的問題，因此需要以重大專項的成果為基礎，繼續加快微系統研發方面的基礎科研能力的提升，以各種措施和手段從根本上提高我國微系統設計的總體水平。
第四，推動微系統設計發展的“生態系統”模式建設。微系統研究的成本非常高，項目投資風險大，資金的籌措和合理運用以及成果轉化尤其重要，因此需要形成優勢互補、力量整合、產業鏈完整、富有“基礎創新”和“原始創新”動力的產學研用結合“生態系統”(共同投資、共擔風險、通力合作、成果共享)。而我國在這方面與國外差距較大，難以適應未來微系統設計發展過程中將要面臨的激烈國際競爭的形勢。
以設計帶動整體發展
●一方面需要重點圍繞微系統“設計”開展突破性研究，另一方面也要加強制造工藝的研究。
●建議超前部署微系統的頂層設計和應用研究，結合我國國情系統性地開展需求研究，突破一系列關鍵技術后，大力發展微系統產業。
我國在微系統研究領域雖然已經取得一定成果，但材料、制造工藝水平落后是必須面對的問題。因此，我們一方面需要重點圍繞微系統“設計”開展突破性研究，在設計技術(尤其是三維異構設計)上達到國際先進水平，參與國際競爭，在全球微系統產業鏈的中游占據有利位置，逐步帶動上游材料、制造工藝水平的發展和下游系統與整機研制水平的提高，最終形成材料、設計、制造、系統研發的全面技術優勢。另一方面也要加強制造工藝的研究。因為只有制造工藝水平得到提升，使之接近發達國家水平，才能真正做好納米尺度的物理設計，反過來大幅度提高我國的微系統設計水平。
此外，應優先按照后摩爾定律發展。由于后摩爾定律是微系統發展的主導定律，因此微系統設計要以支持“功能翻番”為基本原則，尤其是在“尺度縮小”方面相對落后二代的現實下，這符合我國當前的技術發展水平現狀和用戶實際需求。以在“功能翻番”方面的設計優勢彌補“尺度縮小”方面的技術差距，帶動納米尺度微系統設計的發展，努力實現“功能翻番”和“尺度縮小”的復合發展。
適時向納米尺度設計發展。雖然建議優先按照后摩爾定律發展，與國外競爭對手開展“差異化”競爭，但是國外企業勢必也會在這方面做出很多努力，通過不斷的“本土化”策略來縮小與中國企業在這方面的差距。因此，在我們還保持這個優勢的時間段內，需要加快向“納米尺度設計”發展的步伐。
重點突破，典型示范。微系統在很多方向都具有高價值的應用前景，但結合我國技術發展水平和近5年的現實需求，應該有選擇、有重點地開展技術突破。
尋求商業模式的創新。商業模式對于新興技術和產業的發展至關重要，合適的商業模式能夠加速其發展，而不恰當的商業模式則會阻礙甚至扼殺新技術和產品。
因此，建議超前部署微系統的頂層設計和應用研究，結合我國國情系統性地開展需求研究，突破一系列關鍵技術后，大力發展微系統產業。
后摩爾定律將推動設計革新
●后摩爾定律的內涵是“功能翻番”。企業不必一味追求系統“特征尺寸的縮小”，而要以“功能翻番”作為新的利潤增長點。
●隨著三維集成技術的發展，未來的微系統產品將在體積與重量、性能、智能化水平方面取得巨大進步。
自摩爾定律首次預測硅片上晶體管的數量每18個月翻一番以來，制造商一直追求的都是生產力收益。這一巨大的生產力收益成就了今天我們隨處可見的電子應用，但是隨著晶體管的密度增加，開發相應生產工藝的成本也隨之增加。結果是，實現“特征尺寸最小”的CMOS技術也成為最昂貴的CMOS技術，尺寸與經濟的平衡點即將被打破。
后摩爾定律的內涵是“功能翻番”。按照后摩爾定律，企業不必一味追求系統“特征尺寸的縮小”，而要以“功能的翻番”、“為用戶提供高附加值服務”作為新的利潤增長點。
遵循“后摩爾定律”的規律，將RF器件、功率管理系統、生物芯片、傳感器及MEMS等和信號處理器、存儲芯片用SoC和SIP系統集成，以得到功能的大幅提高。將CMOS技術與混合集成技術相結合無疑會為消費者帶來更多的價值。這些技術的融合與轉變還將影響微系統設計方法、建模和特性以及系統架構。最終，現有的聯合研發模式將發生改變，新的生態系統將形成(供應鏈將變得更加復雜，但也存在新的機會)。
三維集成技術將成為主流。三維集成技術可以解決兩個非常重要的核心問題：一是發展摩爾定律，實現晶體管密度的翻番和芯片性能的提升，只有3D的IC才能超越摩爾定律；二是實現后摩爾定律追求的功能翻番——— 將異構器件/模塊集成。
預測到2016年前后，將批量生產22納米的集成電路，追求特征尺寸縮小的速度會減慢，因利用先進CMOS技術開發SoC的成本飛漲，而是更多采用三維集成技術向立體空間發展，一方面增加晶體管密度，提高微電子產品性能；另一方面將異構器件/模塊集成，實現功能多樣化，促進微系統產品的發展。
從幾何學角度看，三維集成是指為了提高密度、性能和可靠性，在晶圓的水平和垂直方向繼續縮小特征尺寸，還包括與此相關的3D結構改善等非幾何學工藝技術以及運用新材料改善晶圓的電性能。
隨著三維集成技術的發展，未來的微系統產品將在體積與重量、性能、智能化水平方面取得巨大進步。
微系統設計向納米尺度發展。1納米相當于兩個原子的寬度，應用納米技術不僅是希望把產品做得“更小”，而是要超越硅技術，取得更好的電磁性能等方面的特性。當前的芯片正在向100微米以下的厚度發展，更加輕薄，即可以在一塊基板上集成更多芯片以實現更多的功能，同時散熱性、可靠性都大大提高。
與生物和新材料技術相結合。通過開發從生活系統中獲得靈感的材料、工藝和設計，開發具有自主性和適應性的新系統。
與信息系統實現一體化。未來微系統與大系統之間的形態界限將趨于模糊，但邏輯界限會越來越清晰，實現一體化是必然結果。隨著民用物聯網和軍用信息基礎設施的不斷發展完善，微系統勢必向網絡化、智能化、信息系統一體化方向發展，實現自組織、自主活動、人為遠程遙控。
創新研發合作模式
●需要由國家出面制定微系統產業的國家發展戰略、規劃技術發展路線圖，超前部署微系統的頂層設計和應用研究。
●企業的創新方向將是為用戶量身訂制功能多樣化的產品，為用戶提供高附加值的增值服務。
微系統技術是包含多種交叉學科的高、精、尖技術，其研究水平在一定程度上反映出國家的基礎科研水平，各國都在競相發展，我國絕不能落后。為促進微系統設計的發展，提出五點對策建議。
第一，組織落實，調整結構。作為基礎性、戰略性、先導性產業，我們必須給予高度重視，需要由國家出面組織力量建立多層次、經常化的交流研討機制，長期、反復科學論證，制定微系統產業的國家發展戰略、規劃技術發展路線圖，超前部署微系統的頂層設計和應用研究。并考慮打破傳統的專業分工限制，使元器件研制、系統研制、軟件研發等單位能夠共同參與微系統研發，優勢互補，力量整合。
第二，集中資源，加大投入力度。統一科研規劃，凝練一批重大工程項目，加強微系統研發能力的建設。
第三，創新微系統研發的合作模式。微系統是與應用緊密相關、網絡化、智能化、能看能動的“系統”，因此需要系統或整機研制單位、軟件研發單位、元器件研制單位強強合作、優勢互補，共同攻關這一前沿交叉學科。
第四，重點培育具有創新能力的企業。無論是微電子產業還是微系統產業，發展壯大的規則都是“創新”。只不過創新的大方向有所改變，以前微電子產業的創新方向是遵循摩爾定律的“尺度不斷縮小”，但這使得研發成本持續攀高，在達到22納米制程時將達到經濟性平衡點。未來需要依據新的規則，引爆新的增長點，創造新的機會。依據后摩爾定律發展的微系統產業將蓬勃發展，屆時企業的創新方向將是為用戶量身訂制功能多樣化的產品，為用戶提供高附加值的增值服務。
企業是推動微系統工程化、產業化的主力。因此，對于那些通過對現有及新興技術有創意的結合(實現異構器件/模塊的三維集成)、為客戶量身訂制智能解決方案、有創新精神和創新能力的企業，一定要重點培育，通過各種途徑幫助他們降低研發成本，加快產品上市時間，以使他們創造可觀的利潤并逐步擴大市場份額。這不僅會使這些公司受益，最終會使整個社會受益。
第五，加強領軍人才的引進與培養。科技的根本在人才，人才是科技發展的首要資源、是科技創新的第一能力要素。微系統技術的未來發展更加迫切地需要高層次的領軍人才。面對復雜的國際國內形勢，唯有堅定不移地實施人才戰略，發揮我國人才資源豐富的潛在優勢，走依靠人才、特別是核心人才提升我國高科技信息電子工業能力建設的道路，才是我們的必然選擇。
因此，我們建議要加強與高校和研究院所的聯合，開展多種形式如委培、聯合招生、提供實驗手段等方式的聯合培養，促進產學研用一條龍式發展，更快地使研究的成果投入試用，發揮更大的效果。
(本文摘自工業和信息化部電子科技委專用裝備組《微系統總體發展研究》報告)
微系統原來是指MEMS(微機電系統)，是微電子技術從二維向三維發展的結果。兩種稱謂的內涵相同，只是在歐洲被稱為微系統，在美國被稱為MEMS，在日本則被稱為“微機器”。隨著MEMS技術與產品的不斷成熟和發展，又開始從微電子向其他領域滲透擴展。當前，微系統是指“集成微系統”，微系統技術著重從微觀角度出發，集成各種先進技術，以期實現功能突破。歐洲對微系統技術的定義是：兩類以上技術的微集成。集成微系統的概念是由美國在20世紀90年代末率先提出的，即采用異構集成技術將微電子器件、光電子器件和MEMS器件整合集成在一起，開發芯片級集成微系統。
微系統區別于微電子產品的最主要特征是“能看、能動”，即不但擁有計算、存儲模塊，還新增了感知與執行模塊，而且計算與存儲模塊的性能得到顯著提升。此外，再加上電源模塊和通信模塊，微系統將在未來成為功能完善、性能卓越、體積微小、成本低廉、應用普及的智能型產品，市場前景廣闊，但也必然面臨激烈的全球市場競爭。
微系統涉及微電子、光電子、MEMS、架構、算法五方面的集成。微電子、光電子和MEMS器件是微系統的核心硬件，而架構和算法是構筑微系統的宏觀基礎。架構需要綜合考慮微電子、光電子、微機械學科知識，包括邏輯架構和物理架構，架構是根據用戶核心需求敏捷設計出功能完善、結構緊湊以及聲光電性能與幾何、質量、機動性能均衡的微系統的基礎。算法是優化系統性能、提升系統智能化水平、具備二次開發定制能力的基礎。
技術不斷提高
●目前我國微電子設計水平已進入納米級，并且也開始涉及SoC的設計。我國MEMS正處于科研攻關與小批量生產階段。
●今后光電子集成電路將繼續沿著高速、高可靠、小型、多功能、提高集成度、降低成本等方向發展。
美國將微系統作為核心技術之一來重點發展。目前，國外在器件級和模塊級、系統小型化技術方面已經取得不少成果，但在系統微型化、系統工程化制造工藝方面仍處于技術攻關階段。微系統設計主要以現有微電子、MEMS的設計仿真平臺為基礎，增強異構工藝兼容設計能力，并向納米尺度的設計水平發展。
目前，我國已在不同層面對微系統開展了多個領域的研究。我國在片上系統(SoC)、系統封裝(SiP)、微波毫米波單片集成電路(MIMIC)、紅外焦平面探測陣列組件(1RFPA)、低溫共燒陶瓷組件(LTCC)、微機電系統(MEMS)等方面都在努力攻關并已經取得不同程度和水平的重要成果，這些都為微系統的研究提供了器件和工藝技術基礎。
近幾年，在國家相關政策的大力支持下，國內硅基微電子技術水平不斷提高，與國際先進水平的距離逐漸縮小。總體來看，當前我國硅基微電子技術有以下特點：
第一，超深亞微米集成技術研究逐漸接近國際先進水平。由于多方面的原因，我國在這一領域的研究工作長期處于劣勢，不能與國際先進水平相提并論。在“863”及科技重大專項等項目的支持下，微電子基礎條件較好的單位率先開展了面向超深亞微米集成技術的研究，在新型器件結構和器件模型等方面的研究取得了一定的進展。在國內首次完成了亞30納米CMOS器件及關鍵工藝技術研究，研制完成了27納米CMOS器件，在指標方面已接近國際先進水平，為我國微電子向亞50納米集成技術的發展奠定了技術基礎。
第二，集成電路設計水平提高，規模擴大。經過近幾年的發展，芯片設計水平明顯提高，目前自主設計的芯片產品已涉及CPU、數字信號處理器、高檔IC卡、數字電視和多媒體、3G手機以及信息安全等6大領域。IC設計水平達到0.13微米、90納米、65納米，在具有自主知識產權核心芯片的開發及其產業化方面也取得了可觀的突破，逐漸從以往的“低端模仿”走向以技術創新為主的“高端替代”。
第三，微電子材料和基礎制造設備研究進步明顯。在微電子單晶硅材料制造設備方面，達到了國內主流工藝水平的要求，接近國際先進水平，微電子關鍵制造設備的研究取得了突破性的進展。
總之，微電子技術是當代科學技術中發展速度最快的技術之一，目前我國微電子設計水平已進入納米級，并且也開始涉及SoC的設計。
在國內光電子技術方面，目前單片光電子集成器件產品還不多，大多還處于實驗室研究階段，而且主要是光集成器件如波分復用系統用的多波長集成陣列光源、多路光接收機、可調波長光源、集成光收發機以及用于光存儲的集成光斑尺寸變換激光器等。今后光電子集成電路將繼續沿著高速、高可靠、小型、多功能、提高集成度、降低成本等方向發展。隨著材料技術與工藝技術的進一步突破，單片光電子集成器件產品大量涌現的日子已為期不遠。
國際MEMS器件經過20余年的發展，已經形成多門類的產品系列和數以十億美元計的市場規模，它們可用作壓力傳感器、加速度計、陀螺等。目前，我國MEMS正處于科研攻關與小批量生產階段，其中，由不動的部件構成的MEMS已形成批量生產，如RF濾波器、壓力傳感器等；具有可動部件的MEMS如微陀螺等暫時還處于科研攻關階段。
隨著MEMS技術的發展，采用該技術的微機電傳感器研發事業正在壯大。由于MEMS技術的引入，在微米/納米尺度上微機理作用突顯，傳感器的相應設計規則也發生了變化。這其中包括微機械應力的獲取規則、微小電容檢測的規則、溫度漂移的引入規則等。同時，在MEMS執行器方面，也出現了諸如靜電驅動深寬比法則、驅動穩定性條件等十分重要的問題。這些問題在宏觀機械領域起的作用不大，因而沒有受到很大重視，需要在研發MEMS傳感器技術的同時逐步加以解決。
存在四大問題
●我們需要在MEMS與微電子結合方面深入研究，力爭自主創新工藝標準，開發具有自主知識產權的納米級設計與仿真平臺。
●需要形成優勢互補、力量整合、產業鏈完整、富有“基礎創新”和“原始創新”動力的產學研用結合“生態系統”。
雖然我們在微系統設計領域已經具備一定基礎，但是仍存在以下四方面的問題：
第一，存在微電子和MEMS設計落后的問題。由于微系統是異構技術的集成系統，因此某類技術的設計能力不足自然成為制約微系統設計發展的一大因素。例如納米尺度的微電子和MEMS設計能力不足，先進軟件設計與仿真平臺依賴國外產品，導致我們在自主開發具有多模多接口的MEMS軟件設計平臺(納米尺度)時存在困難。此外，先進微電子制造工藝是我國的弱項，利用微電子技術形成MEMS加工線也成為微系統研究的另一瓶頸，使我們在微系統器件的大規模制造方面仍然落后。因此，我們需要在MEMS與微電子結合方面深入研究，力爭自主創新工藝標準，開發具有自主知識產權的納米級設計與仿真平臺。
第二，需求的超前探索和系統性研究不夠。國內正處于需求突破的前夜，未來的物聯網、信息、航天、航空等領域對微系統的需求很強烈。雖然需求旺盛，但大多“參照國外”，沒有形成系統性的需求牽引。這樣容易導致我國的微系統設計平臺在功能和性能上落后于國外一段時間，而這段時間差又容易導致國外微系統產品搶先占領市場，使國產微系統設計平臺失去市場競爭力，可能重現微電子時代的被動局面。
第三，基礎科研能力不足。基礎科研能力不足是我國長期面臨的問題，因此需要以重大專項的成果為基礎，繼續加快微系統研發方面的基礎科研能力的提升，以各種措施和手段從根本上提高我國微系統設計的總體水平。
第四，推動微系統設計發展的“生態系統”模式建設。微系統研究的成本非常高，項目投資風險大，資金的籌措和合理運用以及成果轉化尤其重要，因此需要形成優勢互補、力量整合、產業鏈完整、富有“基礎創新”和“原始創新”動力的產學研用結合“生態系統”(共同投資、共擔風險、通力合作、成果共享)。而我國在這方面與國外差距較大，難以適應未來微系統設計發展過程中將要面臨的激烈國際競爭的形勢。
以設計帶動整體發展
●一方面需要重點圍繞微系統“設計”開展突破性研究，另一方面也要加強制造工藝的研究。
●建議超前部署微系統的頂層設計和應用研究，結合我國國情系統性地開展需求研究，突破一系列關鍵技術后，大力發展微系統產業。
我國在微系統研究領域雖然已經取得一定成果，但材料、制造工藝水平落后是必須面對的問題。因此，我們一方面需要重點圍繞微系統“設計”開展突破性研究，在設計技術(尤其是三維異構設計)上達到國際先進水平，參與國際競爭，在全球微系統產業鏈的中游占據有利位置，逐步帶動上游材料、制造工藝水平的發展和下游系統與整機研制水平的提高，最終形成材料、設計、制造、系統研發的全面技術優勢。另一方面也要加強制造工藝的研究。因為只有制造工藝水平得到提升，使之接近發達國家水平，才能真正做好納米尺度的物理設計，反過來大幅度提高我國的微系統設計水平。
此外，應優先按照后摩爾定律發展。由于后摩爾定律是微系統發展的主導定律，因此微系統設計要以支持“功能翻番”為基本原則，尤其是在“尺度縮小”方面相對落后二代的現實下，這符合我國當前的技術發展水平現狀和用戶實際需求。以在“功能翻番”方面的設計優勢彌補“尺度縮小”方面的技術差距，帶動納米尺度微系統設計的發展，努力實現“功能翻番”和“尺度縮小”的復合發展。
適時向納米尺度設計發展。雖然建議優先按照后摩爾定律發展，與國外競爭對手開展“差異化”競爭，但是國外企業勢必也會在這方面做出很多努力，通過不斷的“本土化”策略來縮小與中國企業在這方面的差距。因此，在我們還保持這個優勢的時間段內，需要加快向“納米尺度設計”發展的步伐。
重點突破，典型示范。微系統在很多方向都具有高價值的應用前景，但結合我國技術發展水平和近5年的現實需求，應該有選擇、有重點地開展技術突破。
尋求商業模式的創新。商業模式對于新興技術和產業的發展至關重要，合適的商業模式能夠加速其發展，而不恰當的商業模式則會阻礙甚至扼殺新技術和產品。
因此，建議超前部署微系統的頂層設計和應用研究，結合我國國情系統性地開展需求研究，突破一系列關鍵技術后，大力發展微系統產業。
后摩爾定律將推動設計革新
●后摩爾定律的內涵是“功能翻番”。企業不必一味追求系統“特征尺寸的縮小”，而要以“功能翻番”作為新的利潤增長點。
●隨著三維集成技術的發展，未來的微系統產品將在體積與重量、性能、智能化水平方面取得巨大進步。
自摩爾定律首次預測硅片上晶體管的數量每18個月翻一番以來，制造商一直追求的都是生產力收益。這一巨大的生產力收益成就了今天我們隨處可見的電子應用，但是隨著晶體管的密度增加，開發相應生產工藝的成本也隨之增加。結果是，實現“特征尺寸最小”的CMOS技術也成為最昂貴的CMOS技術，尺寸與經濟的平衡點即將被打破。
后摩爾定律的內涵是“功能翻番”。按照后摩爾定律，企業不必一味追求系統“特征尺寸的縮小”，而要以“功能的翻番”、“為用戶提供高附加值服務”作為新的利潤增長點。
遵循“后摩爾定律”的規律，將RF器件、功率管理系統、生物芯片、傳感器及MEMS等和信號處理器、存儲芯片用SoC和SIP系統集成，以得到功能的大幅提高。將CMOS技術與混合集成技術相結合無疑會為消費者帶來更多的價值。這些技術的融合與轉變還將影響微系統設計方法、建模和特性以及系統架構。最終，現有的聯合研發模式將發生改變，新的生態系統將形成(供應鏈將變得更加復雜，但也存在新的機會)。
三維集成技術將成為主流。三維集成技術可以解決兩個非常重要的核心問題：一是發展摩爾定律，實現晶體管密度的翻番和芯片性能的提升，只有3D的IC才能超越摩爾定律；二是實現后摩爾定律追求的功能翻番——— 將異構器件/模塊集成。
預測到2016年前后，將批量生產22納米的集成電路，追求特征尺寸縮小的速度會減慢，因利用先進CMOS技術開發SoC的成本飛漲，而是更多采用三維集成技術向立體空間發展，一方面增加晶體管密度，提高微電子產品性能；另一方面將異構器件/模塊集成，實現功能多樣化，促進微系統產品的發展。
從幾何學角度看，三維集成是指為了提高密度、性能和可靠性，在晶圓的水平和垂直方向繼續縮小特征尺寸，還包括與此相關的3D結構改善等非幾何學工藝技術以及運用新材料改善晶圓的電性能。
隨著三維集成技術的發展，未來的微系統產品將在體積與重量、性能、智能化水平方面取得巨大進步。
微系統設計向納米尺度發展。1納米相當于兩個原子的寬度，應用納米技術不僅是希望把產品做得“更小”，而是要超越硅技術，取得更好的電磁性能等方面的特性。當前的芯片正在向100微米以下的厚度發展，更加輕薄，即可以在一塊基板上集成更多芯片以實現更多的功能，同時散熱性、可靠性都大大提高。
與生物和新材料技術相結合。通過開發從生活系統中獲得靈感的材料、工藝和設計，開發具有自主性和適應性的新系統。
與信息系統實現一體化。未來微系統與大系統之間的形態界限將趨于模糊，但邏輯界限會越來越清晰，實現一體化是必然結果。隨著民用物聯網和軍用信息基礎設施的不斷發展完善，微系統勢必向網絡化、智能化、信息系統一體化方向發展，實現自組織、自主活動、人為遠程遙控。
創新研發合作模式
●需要由國家出面制定微系統產業的國家發展戰略、規劃技術發展路線圖，超前部署微系統的頂層設計和應用研究。
●企業的創新方向將是為用戶量身訂制功能多樣化的產品，為用戶提供高附加值的增值服務。
微系統技術是包含多種交叉學科的高、精、尖技術，其研究水平在一定程度上反映出國家的基礎科研水平，各國都在競相發展，我國絕不能落后。為促進微系統設計的發展，提出五點對策建議。
第一，組織落實，調整結構。作為基礎性、戰略性、先導性產業，我們必須給予高度重視，需要由國家出面組織力量建立多層次、經常化的交流研討機制，長期、反復科學論證，制定微系統產業的國家發展戰略、規劃技術發展路線圖，超前部署微系統的頂層設計和應用研究。并考慮打破傳統的專業分工限制，使元器件研制、系統研制、軟件研發等單位能夠共同參與微系統研發，優勢互補，力量整合。
第二，集中資源，加大投入力度。統一科研規劃，凝練一批重大工程項目，加強微系統研發能力的建設。
第三，創新微系統研發的合作模式。微系統是與應用緊密相關、網絡化、智能化、能看能動的“系統”，因此需要系統或整機研制單位、軟件研發單位、元器件研制單位強強合作、優勢互補，共同攻關這一前沿交叉學科。
第四，重點培育具有創新能力的企業。無論是微電子產業還是微系統產業，發展壯大的規則都是“創新”。只不過創新的大方向有所改變，以前微電子產業的創新方向是遵循摩爾定律的“尺度不斷縮小”，但這使得研發成本持續攀高，在達到22納米制程時將達到經濟性平衡點。未來需要依據新的規則，引爆新的增長點，創造新的機會。依據后摩爾定律發展的微系統產業將蓬勃發展，屆時企業的創新方向將是為用戶量身訂制功能多樣化的產品，為用戶提供高附加值的增值服務。
企業是推動微系統工程化、產業化的主力。因此，對于那些通過對現有及新興技術有創意的結合(實現異構器件/模塊的三維集成)、為客戶量身訂制智能解決方案、有創新精神和創新能力的企業，一定要重點培育，通過各種途徑幫助他們降低研發成本，加快產品上市時間，以使他們創造可觀的利潤并逐步擴大市場份額。這不僅會使這些公司受益，最終會使整個社會受益。
第五，加強領軍人才的引進與培養。科技的根本在人才，人才是科技發展的首要資源、是科技創新的第一能力要素。微系統技術的未來發展更加迫切地需要高層次的領軍人才。面對復雜的國際國內形勢，唯有堅定不移地實施人才戰略，發揮我國人才資源豐富的潛在優勢，走依靠人才、特別是核心人才提升我國高科技信息電子工業能力建設的道路，才是我們的必然選擇。
因此，我們建議要加強與高校和研究院所的聯合，開展多種形式如委培、聯合招生、提供實驗手段等方式的聯合培養，促進產學研用一條龍式發展，更快地使研究的成果投入試用，發揮更大的效果。
(本文摘自工業和信息化部電子科技委專用裝備組《微系統總體發展研究》報告)
