中科院王曦：物聯(lián)網(wǎng)時代的傳感器和材料創(chuàng)新

　　傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的重要基石

　　信息技術經(jīng)歷了三個發(fā)展階段(圖1)。現(xiàn)在中國的通訊技術發(fā)展很快，希望下一步是智能社會的時代。智能社會就是要把物包括進來，即物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。所以在這個領域，傳感器非常重要。所以半導體下一個創(chuàng)新的領域之一，是摩爾定律如何創(chuàng)新，其中包含傳感器。

　　當然半導體在物聯(lián)網(wǎng)中是一個比較小的領域，但是很重要，它位于最底部，支撐起整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應用的大產業(yè)。據(jù)預測，與物聯(lián)網(wǎng)相關的半導體硬件在2020年大約有300億美元，其中傳感器在150億美元左右。

　　傳感器盡管小，但是應用非常廣。最典型的就是在上世紀七八年代的汽車應用，當時因為汽車的門檻較高，另一方面我國汽車工業(yè)發(fā)展沒那么迅速，所以汽車里面的分立元器件，尤其是傳感器比較少。今天回過頭來我們整理發(fā)現(xiàn)，汽車里有大量的傳感器(圖2)，尤其現(xiàn)在ADAS(高級輔助駕駛系統(tǒng))需要很多各種各樣的傳感器。現(xiàn)在大家比較熟悉的一個領域是智能終端/智能手機。由于智能終端的出現(xiàn)，傳感器的需求呈爆發(fā)性增長。再有，我們迎來了巨大的物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)的先頭兵——可穿戴設備，例如智能手環(huán)可以測量你的健康參數(shù)等。具體到巨大的物聯(lián)網(wǎng)時代實現(xiàn)萬物互聯(lián)，市場機會更大。

　　智能手機一代代發(fā)展，其MEMS傳感器是不斷增加的。MEMS傳感器首先是由大的外國手機品牌推動起來，今天中國的手機廠商實力越來越雄厚，他們智能手機中的有些傳感器甚至是領先于國外大廠商的。

　　中國在MEMS市場里的一類份額如圖3所示。深藍色部分是中國手機廠商。過去一段時間里，主要是三星、蘋果主導，但是從2011年開始，中國的手機廠商占MEMS傳感器市場份額不斷增加，從2011年的9%，到2012年17%，2013年21%，2014年的23%，2015年30%。相信隨著時間的推移，下一步份額還會更高。

　　反過來說，我們的傳感器需要創(chuàng)新，來推動智能手機更加智能化，最終實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)時代的智能化。

　　國內MEMS研發(fā)平臺概況

　　在中國的MEMS生態(tài)系統(tǒng)還不是非常健全。中國有個特點，越往后端越發(fā)達。上海微技術工業(yè)研究院(SITRI)處于中間的開發(fā)鏈條，可以作為研發(fā)到產品之間的工程化、產業(yè)化的橋梁。SITRI過去在MEMS方面做了30年，做得比較系統(tǒng)。國內MEMS實驗室主要有三個：清華、北大和SITRI。MEMS設計公司(fabless)不少，目前集中在長三角，中國的其他區(qū)域也非常多，這些設計公司規(guī)模還比較小，往往沒有采用非常大型的企業(yè)研發(fā)平臺在開展工作，但是真正需要把它規(guī)?；⒘慨a化需要一個比較好的平臺。

　　目前在中國有幾個MEMS研發(fā)平臺，一家在蘇州，規(guī)模較大，剛開始不久，有一定的測試和封裝的能力;無錫有一家測試平臺。在上海，上海政府支持上海微技術工業(yè)研究院(SITRI)建立一條8英寸的完整MEMS研發(fā)供給線，這條線一旦建成以后，可為設計公司和代工廠(foundry)提供有力的研發(fā)支撐。

　　實際上，美國也存在科研轉化為產品的問題。從2014年至今，美國已建6個先進研究院。所謂的“死亡之谷”、“缺失的貝爾實驗室”、“產業(yè)工地”，從技術上看，圖4左邊是研究所、大學，右邊是產業(yè)界，需要中間的開發(fā)(development)橋梁。因為美國企業(yè)的研發(fā)能力比較強，但是奧巴馬認為，美國仍然存在這個問題，需要把中間的鴻溝填補起來，這是SITRI等中國很多研究院的使命。

　　因為技術有一個成熟度，在技術研究階段，需要證明這個技術可行性，屬于前期，這是研究所、大學的事。但是要把它變成一個最終的產品，包括技術的中試，包括一些子系統(tǒng)的實驗，都是處于中間階段。最終企業(yè)把它變成產品、推向市場。SITRI有8英寸的研發(fā)中試線，包括MEMS、硅光子等等，設備較為齊全。同時后端有合作伙伴——華虹宏力的生產線對接。

　　SITRI作為產業(yè)之間的橋梁，加入了很多工業(yè)聯(lián)盟，同時也在上海嘉定建立了“物聯(lián)網(wǎng)芯片產業(yè)園”，作為推動傳感器、微能源、物聯(lián)網(wǎng)的一個基礎。

　　在傳感器領域，在上世紀70年代，汽車領域這波浪潮我們基本沒趕上。到了2006、2007年的智能手機時代，手機里的分立元器件(傳感器、核心器件)浪潮也沒趕上。我們希望在物聯(lián)網(wǎng)大潮里，中國的與傳感器相關的芯片可以“More than Moore(超越摩爾定律)”。

　　材料

　　做MEMS要做材料，SOI(絕緣層上硅)是做MEMS傳感器襯底一種選擇，好處是結構比較簡單。SOI材料不僅僅是在MEMS市場用，另外在RF(射頻)上用處很大，可以用于手機的射頻前端。傳統(tǒng)的GaAs(砷化鎵)也做了一些射頻元器件，比如開關，現(xiàn)在射頻前端的SOI(新材料)占了很大的比例。我們正好也趕上了這一波，一方面本身是手機發(fā)展、量大，再一個手機里的SOI取代砷化鎵，如果在物聯(lián)網(wǎng)中，這個需求量更大。因此我們面臨了非常好的機遇，我們的材料在這方面有非常好的前景。

　　半導體的發(fā)展，到了20納米以后，有兩條發(fā)展路線：一個采用三維的FinFET，一個采用SOI二維結構。到今天，Intel等繼續(xù)使用三維的晶體管結構，發(fā)展還不錯。另一波人，包括IBM和ST等推動二維SOI結構。應該說這是個分水嶺，中國，我認為如果走前一條，永遠是跟隨，不可能超越;但是如果走第二條路線，半導體體硅變化，中國有機會彎道超車。SOI芯片很重要的一點，過去這種夸大摩爾定律，以為平面CMOS到了盡頭，其實不然，我們可以比較多地降低體硅CMOS制造的成本，我們可以用28納米做22納米的事，進一步降低成本，同時也會延長28納米壽命。這對物聯(lián)網(wǎng)的應用是非常有幫助的，再一個SOI的功耗降低，這也是物聯(lián)網(wǎng)最需要的。

　　最近，我們跟世界上最大的SOI公司Solitec結成了戰(zhàn)略聯(lián)盟，來共同推動SOI在中國的推廣。

　　傳感器發(fā)展需要有更廣闊的思路

　　我國的研究所、高校在過去二三十年做了很多積累，現(xiàn)在通過產業(yè)化的推進，已有兩家公司上市。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，還需要我們進一步思考。例如傳統(tǒng)的老牌企業(yè)博世，他們汽車傳感器做得好，當看好消費電子產品的勢頭后，不惜一切代價把消費電子這塊做大，因為它有汽車傳感器的經(jīng)驗積累，他很有競爭力。我認為下一步中國傳感器的發(fā)展，第三個階段(如圖1)應該跟我們當前的半導體發(fā)展結合在一起，要有更廣闊的思路，不是就事論事地開發(fā)一個傳感器，包括與系統(tǒng)結合，包括對國際半導體公司的并購重組。即從傳統(tǒng)的芯片思路來整合各種資源，才能形成規(guī)模。

　　小結

　　2015年是摩爾定律誕生50周年，半導體發(fā)展是無窮無盡的。SITRI與合作伙伴從事融合創(chuàng)新。我們認為這是半導體差異化的戰(zhàn)略，因為一味地追求摩爾定律，還是可以走下去，但是確實投入很大。中國的半導體業(yè)實力還不足夠，超過很困難。我們希望在物聯(lián)網(wǎng)時代進行差異化的融合創(chuàng)新，希望傳感器、能源、通信、功率等結合在一起，這里的創(chuàng)新機會非常多。通過這些半導體器件的融合創(chuàng)新，來推動物聯(lián)網(wǎng)真正智能化的時代到來。