攀登全球微電子技術與產業之巔
——記湖北省“百人計劃”入選者、華中科技大學教授王興晟

文/肖延勝

自2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》發布以來，我國芯片產業獲得了快速發展。如今掌握芯片產業核心技術已上升為國家戰略。

華中科技大學王興晟教授表示，“正如習總書記所言，國之重器必須掌握在自己手里，微電子科研教學人員迎來了微電子發展機遇，也將承擔起自己的歷史責任?！?/p>

隨機漲落

隨著微電子器件尺度的逐漸縮小，隨機漲落的問題變得越來越不容忽視。隨機漲落，即相鄰的兩個器件即便設計、工藝完全一致也會出現性能上的隨機差異性，尺度越小越明顯。這種器件本征特性的存在，給工業界在器件集成、電路設計和良率控制上帶來極大挑戰。

王興晟介紹，對摩爾和后摩爾時代先進微納電子器件和電路系統進行高質量的建模仿真預研并開發新的EDA工具，是應對隨機漲落等挑戰的重要途徑，能極大地節約研發成本、加快進度、跨越技術代差，英特爾、三星、臺積電等巨頭紛紛加大了研發投入?！鞍l展集成電路領域包括EDA、IP等上游鏈核心技術，確保產業安全已十分迫切，也是我國集成電路產業實現趕超的根本途徑之一?！?/p>

王興晟教授在科學計算實驗機房工作

自北京工商大學和清華大學分別獲得學士、碩士學位后，2006年王興晟赴英國格拉斯哥大學，跟隨微電子器件建模權威Asen Asenov教授（蘇格蘭皇家學會院士、IEEE會士）開展博士及博士后研究，畢業后留校，任副研究員，2016年進入EDA世界領導者新思科技英國公司擔任高級工程師，開展器件電路協同設計工具研究，2018年2月回國，現為華中科技大學光學與電子信息學院教授，入選湖北省“百人計劃”。

12年原創研究結碩果

圍繞隨機漲落，王興晟連續開展了12年原創研究，成果豐碩。

——發掘并系統研究了新的隨機漲落的物理根源。

識別隨機漲落的物理根源，有助于認清其影響并加以控制。在此之前，人類已認識到隨機離散摻雜、刻線邊緣粗糙性等是導致隨機漲落的主要根源。然而，當微電子發展到45nm節點時，伴隨高K金屬柵工藝的引進，金屬柵顆粒性成為新的漲落根源。王興晟和團隊對此展開了系統研究，并據之構建起新的仿真算法和平臺，隨后通過新算法和平臺對45nm以下金屬柵新器件進行了研究，結果表明，金屬柵顆粒性導致的功函數差異性具有僅次于隨機摻雜的重要性。

“TCAD仿真平臺和物理模型在32nm器件的試驗中，得到了實驗數據的有力印證?！蓖跖d晟說。

2011年在英特爾推出FinFET之前，王興晟在TCAD平臺對工藝參數敏感度的分析中，預測到鰭線邊緣粗糙性對于FinFET靜電、量子局限效應的極端重要性，從工藝流程出發結合193nm光刻實驗數據建立了對鰭線邊緣粗糙性的建模方法。另外，他對22nm以下幾代FinFET隨機漲落的研究表明，鰭線粗糙性對于超薄體全耗盡晶體管具有極端重要性。

長久以來，電路設計依賴由面積公式獲取“工藝角”模型的方法，王興晟在研究中發現，刻線粗糙性、短溝道halo摻雜的隨機摻雜效應并不滿足面積公式；另外，薄體溝道量子局限效應的存在，導致隨機漲落和全局工藝差異性的強相互作用，使得面積公式出現了嚴重偏離，“這意味著單純依賴面積公式，可能給電路設計帶來嚴重誤差”。

此外，王興晟還與北京大學黃如院士團隊合作，獲取了分離隨機漲落根源的一種表征方法；對Fin-FET隨機摻雜子分布的滲流進行了研究；并通過研究表明，量子局限作用在隨機漲落里是個重要的存在。

——發展了完整的新的統計緊湊模型理論和方法。

工藝設計工具包（PDK）里的SPICE緊湊模型是設計者運用器件工藝實現大規模電路設計的便捷橋梁，可加速和優化設計、提升良率。

“直接從實測或仿真的隨機漲落特性曲線提取統計模型，能有效繼承漲落機制；大樣本統計模型，能更有效地進行統計電路仿真；應用統計學中的分位圖，對提取的多變量模型參數分布進行重構，并控以最小誤差，可更準確地重構器件隨機漲落性能的分布?！痹谶@一新認識的指引下，王興晟發展了完整的新的統計緊湊模型理論和方法，首次同時突破了準確復制多變量參數非高斯分布與保持參數間相關性兩個關鍵難題。

在此基礎上，他還首次提出了全局與局部可變性的緊湊模型層級模型和建模方法，成功解決了面積模型的誤差問題。與黃如院士團隊合作，得到了統計緊模型的一種解析方法。目前新思科技已將他們的科研成果應用到新產品中，經濟效益顯著。

——開拓了基于統計性能與良率的器件電路協同優化設計方法學。

隨機漲落可引起集成電路性能波動、大幅降低良率。傳統驗證方法存在缺陷，也無法適應技術發展新要求。應用統計模型對器件與電路進行協同設計成為緊迫發展的方向。

王興晟在國際上較早提出基于統計性能的器件與電路協同設計的概念與方法，并發展為現今采用的設計與工藝技術的協同優化。對重復性電路單元如SRAM陣列運用統計模型進行統計仿真，可將器件統計性能完整地帶入電路，并完整地呈現電路單元統計性能；同時可利用開發的統計模型覆蓋能力對工藝設計和電路設計做出調整，獲得最好的PPAY。

三星、格羅方德、中芯國際等企業目前已布局跟進研發。

“國之重器必須掌握在自己手里”

12年來，王興晟參與和主持了6項歐洲和英國課題，在國際著名期刊發表論文20余篇，在國際重要學術會議上發表論文、報告50多篇，已在國際上建立起自己的研究特色和知名度。其成果包括新開發的EDA方法，在學術界、產業界都產生了較大的影響。

掌握芯片產業核心技術已成為我國社會各界的共識?；貒?，王興晟將結合國家集成電路產業發展戰略，依托華中科技大學及其他合作的研究與產業平臺，共同應對隨機漲落等挑戰，希望能在先進微電子器件與電路系統的新EDA理論方法、新器件和系統等的研發與應用方面，做出自己的貢獻。

“走自主創新之路，核心技術不再受制于人，才能避免供應鏈隨時被切斷的風險，這也是中興事件給我們的啟示?！彼f。