微电子和光电子是信息领域的两大基础性硬件技术，是数字化时代发展的基石和国家战略竞争的制高点。本书围绕制造工艺、先进封装与芯粒、新型存储与存算一体、高速光模块、硅基光子集成、混合集成等微电子和光电子领域重点技术产品创新方向，从全球发展态势、我国发展现状、我国未来展望、业界热点亮点等维度进行了论述，并对光电融合的紧迫性、意义和前景进行了相关探讨，希望能为我国微电子光电子发展提供参考。本书主要面向微电子光电子技术学科的本科生和研究生，以及具有类似学科背景的科技工作者。

第1章 全球微电子光电子发展形势
　　1.1 全链条多要素推动微电子持续升级
　　微电子领域重大科技突破如图1.1所示。
　　1.1.1 半导体行业仍处在高速增长阶段
　　全球半导体市场迎来爆发式增长。在全球经济复苏和疫情刺激线上消费需求的大背景下，电子信息产品销售反弹，带动上游半导体市场的高速上涨。整体来看，据研究机构IC Insights统计数据，2021年全球半导体市场规模提升至6，139亿美元，同比增幅高达25%；预计2022年，全球半导体市场规模将进一步提升至6，806亿美元，同比增幅近11%，市场前景可期。从细分领域看，半导体行业主要分为集成电路、传感器、分立半导体、光电子器件等四个部分，2021年全球集成电路、传感器、分立半导体和光电子器件的市场规模分别为5，098亿美元、209亿美元、350亿美元、484亿美元，同比增幅分别为26%、27%、26%、10%，传感器、分立半导体、光电子器件销售额占整体半导体市场销售额的近17%，占比不断提升。从行业投资看，行业数字化转型和经济反弹对半导体组件需求上涨，带动2021年全球半导体企业资本支出表现更加活跃，共投入资金达到1，521亿美元，规模同比增幅超过1/3，预计2022年将进一步增长至1，904亿美元，接近2，000亿美元规模，同比增幅达到24%。
　　图1.1 微电子领域重大科技突破总览
　　领先半导体厂商格局再次调整。据研究机构IC Insights统计数据，如表1.1所示，2021年全球营收排行前10半导体供应商包括6家美国企业、2家韩国企业、2家中国台湾地区企业，销售额总计约3，900亿美元，同比增长达到26%。其中，受到存储器市场复苏和需求高涨的助力，三星在2021年以超过800亿美元的营收和33%的增长，再次取代英特尔重回全球半导体供应商霸主地位。英特尔销售业绩表现相对平淡，2021年全年销售额较2020年仅增长1%，位列第2位。台积电作为唯一的纯晶圆代工厂，凭借568亿美元的收入稳坐第3位。海力士、美光和高通则以超过30%的同比增速，分别维持第4至6位排名。联发科受惠于智能手机芯片市场的增长，排名相比2020年上升3位，位列第9位。此外，在全球营收排行前25的供应商中，美国拥有13家，欧洲和日本各3家，韩国2家，中国4家（其中1家位于大陆，3家位于台湾省）。其中，中国大陆晶圆代工厂中芯国际凭借54.4亿美元的销售额，位列供应商名单第25位，相比于2020年，实现39%的同比增长。2021年华为海思未进入排行前25名单中。
　　表1.1 2021年全球营收排行前10半导体供应商
　　全球半导体领域并购热度略减。据研究机构IC Insights统计数据，自2020年全球半导体行业并购金额创下近1，200亿美元新高后，行业并购态势趋缓，主要以中小型并购为主，如图1.2所示。2021年1～8月全球半导体行业并购交易总额达到220亿美元，有14家半导体公司宣布并购计划，其中多起并购的宣布时间集中在第三季度，主要包括瑞萨以59亿美元收购英国公司Dialog、高通以45亿美元收购自动驾驶公司Veoneer、美满以11亿美元收购网络芯片初创公司Innovium、安森美以4.15亿美元收购美国碳化硅(SiC)公司GT Advanced Technologies等。
　　图1.2 近年全球半导体行业并购情况(引自研究机构IC Insights)
　　1.1.2 半导体全链条技术创新活跃
　　1.总体情况
　　总体来看，未来微电子技术将沿着图1.3所示的“摩尔定律”、“超越摩尔定律”以及“后摩尔”三个方向持续演进。电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)在2021年发布的国际集成电路发展路线图(International Roadmap for Devices and Systems，IRDS)中从系统与架构(systems and architectures)、延续摩尔(more Moore)、系统外部互联(outside system connectivity)、后摩尔(beyond CMOS)、超越摩尔(more than Moore)、光刻(lithography)、量子信息处理(quantum information processing)、测量(metrology)、产率提升(yield enhancement)、工厂集成(factory integration)等10个方面对未来15年全球微电子技术做出规划和展望[1]。
　　系统与架构方面，重点围绕云系统、移动设备、物联网设备和信息物理系统四大领域加速升级。第一，云边端协同设计成为趋势。边缘侧数据快速激增和泛终端平台逐渐普及，将加速覆盖云边端的不同层级、不同算力间深度融合和体系打通，因此将四类计算系统作为统一整体而非离散体进行综合设计将成为重要发展方向。第二，人工智能和增强现实作为计算技术创新发展和市场增长的新型驱动力，已成为集成在计算系统中的重要功能模块，将显著提升系统对于大规模数据流分析和多方信息协作交互的处理能力。第三，新技术加速系统架构创新。专用计算架构、新型非易失性存储、芯粒(Chiplet)集成、2.5D/3D封装等先进技术进一步加速计算架构异构化、多元化演进，硅基光子开关、光通信有效降低传输时延和提升系统扩展能力，RISC-V指令集和其他开源硬件项目开发将推进计算系统架构向更加专业灵活、开放创新路线发展，并对管理众多异构性硬件系统的应用程序和基础软件开发形成挑战。第四，新型计算系统持续涌现。随着互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)晶体管等效缩放优势逐渐减弱，碳纳米管、有机和无机材料网络以及量子计算、类脑计算、低温计算等新材料、新理
　　图1.3 微电子领域创新总体态势

目录
《中国电子信息工程科技发展研究》编写说明
前言
第1章 全球微电子光电子发展形势 1
1.1 全链条多要素推动微电子持续升级 1
1.1.1 半导体行业仍处在高速增长阶段 1
1.1.2 半导体全链条技术创新活跃 5
1.1.3 全球缺芯态势持续蔓延 24
1.1.4 半导体供应链加速重构重塑 25
1.1.5 围绕新兴方向深化拓展研究创新 27
1.2 集成引领光电子技术快速发展 29
1.2.1 集成是光电子发展热点，美欧日积极布局 29
1.2.2 光电子集成具有广阔市场空间，龙头企业强化竞争优势 32
1.2.3 光电子集成具有良好发展前景，技术快速进步 34
第2章 我国微电子光电子发展现状 40
2.1 微电子技术产业持续进步，部分关键技术尚待突破 40
2.1.1 产业能力不断升级，发展力度持续加大 40
2.1.2 技术迎来多点突破，垄断受限局面未变 43
2.2 光电子技术竞争力逐步增强，尚需突破高端，提升自主发展能力 45
2.2.1 技术进步显著，中国发展为全球光电子重地 45
2.2.2 尚未实现全面突破，自主发展能力待提升 47
第3章 我国微电子光电子未来趋势 50
3.1 依托大国大市场优势，加快微电子创新升级步伐 50
3.2 把握集成机遇，以创新谋求光电子发展主导权 51
3.2.1 中国光电子处于三个发展机遇期 52
3.2.2 力促技术创新，提升中国光电子可持续发展能力 53
3.2.3 聚力光子集成，以高端突破谋求发展主导权 54
第4章 微电子光电子领域热点亮点 58
第4.1 高端通用芯片 58
4.1.1 全球态势与国内现状 58
4.1.2 当期重要进展或突破 62
4.2 专用架构芯片 64
4.2.1 全球态势与国内现状 64
4.2.2 当期重要进展或突破 68
4.3 Chiplet 70
4.3.1 全球态势与国内现状 70
4.3.2 当期重要进展或突破 73
4.4 存算一体 74
4.4.1 全球态势与国内现状 74
4.4.2 当期重要进展或突破 81
4.5 高速光模块 83
4.5.1 全球态势与国内现状 83
4.5.2 当期重要进展或突破 86
4.6 硅基光子集成 89
4.6.1 全球态势与国内现状 89
4.6.2 当期重要进展或突破 92
4.7 混合集成 96
4.7.1 全球态势与国内现状 96
4.7.2 当期重要进展或突破 100
第5章 光电融合及展望 104
5.1 光子与电子是信息技术的基础，各有长短 104
5.2 电子信息技术面临带宽、能耗挑战 111
5.3 光电融合成为信息技术发展的必然 114
5.3.1 连接/传输 116
5.3.2 路由/交换 120
5.3.3 计算/处理 122
5.4 光电信息时代及其挑战、展望 126
5.4.1 光电信息时代 126
5.4.2 光电融合的挑战和展望 129
第6章 领域热词 132
参考文献 136