文/肖延胜

自2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》发布以来，我国芯片产业获得了快速发展。如今掌握芯片产业核心技术已上升为国家战略。

华中科技大学王兴晟教授表示，“正如习总书记所言，国之重器必须掌握在自己手里，微电子科研教学人员迎来了微电子发展机遇，也将承担起自己的历史责任。”

随机涨落

随着微电子器件尺度的逐渐缩小，随机涨落的问题变得越来越不容忽视。随机涨落，即相邻的两个器件即便设计、工艺完全一致也会出现性能上的随机差异性，尺度越小越明显。这种器件本征特性的存在，给工业界在器件集成、电路设计和良率控制上带来极大挑战。

王兴晟介绍，对摩尔和后摩尔时代先进微纳电子器件和电路系统进行高质量的建模仿真预研并开发新的EDA工具，是应对随机涨落等挑战的重要途径，能极大地节约研发成本、加快进度、跨越技术代差，英特尔、三星、台积电等巨头纷纷加大了研发投入。“发展集成电路领域包括EDA、IP等上游链核心技术，确保产业安全已十分迫切，也是我国集成电路产业实现赶超的根本途径之一。”

王兴晟教授在科学计算实验机房工作

自北京工商大学和清华大学分别获得学士、硕士学位后，2006年王兴晟赴英国格拉斯哥大学，跟随微电子器件建模权威Asen Asenov教授（苏格兰皇家学会院士、IEEE会士）开展博士及博士后研究，毕业后留校，任副研究员，2016年进入EDA世界领导者新思科技英国公司担任高级工程师，开展器件电路协同设计工具研究，2018年2月回国，现为华中科技大学光学与电子信息学院教授，入选湖北省“百人计划”。

12年原创研究结硕果

围绕随机涨落，王兴晟连续开展了12年原创研究，成果丰硕。

——发掘并系统研究了新的随机涨落的物理根源。

识别随机涨落的物理根源，有助于认清其影响并加以控制。在此之前，人类已认识到随机离散掺杂、刻线边缘粗糙性等是导致随机涨落的主要根源。然而，当微电子发展到45nm节点时，伴随高K金属栅工艺的引进，金属栅颗粒性成为新的涨落根源。王兴晟和团队对此展开了系统研究，并据之构建起新的仿真算法和平台，随后通过新算法和平台对45nm以下金属栅新器件进行了研究，结果表明，金属栅颗粒性导致的功函数差异性具有仅次于随机掺杂的重要性。

“TCAD仿真平台和物理模型在32nm器件的试验中，得到了实验数据的有力印证。”王兴晟说。

2011年在英特尔推出FinFET之前，王兴晟在TCAD平台对工艺参数敏感度的分析中，预测到鳍线边缘粗糙性对于FinFET静电、量子局限效应的极端重要性，从工艺流程出发结合193nm光刻实验数据建立了对鳍线边缘粗糙性的建模方法。另外，他对22nm以下几代FinFET随机涨落的研究表明，鳍线粗糙性对于超薄体全耗尽晶体管具有极端重要性。

长久以来，电路设计依赖由面积公式获取“工艺角”模型的方法，王兴晟在研究中发现，刻线粗糙性、短沟道halo掺杂的随机掺杂效应并不满足面积公式；另外，薄体沟道量子局限效应的存在，导致随机涨落和全局工艺差异性的强相互作用，使得面积公式出现了严重偏离，“这意味着单纯依赖面积公式，可能给电路设计带来严重误差”。

此外，王兴晟还与北京大学黄如院士团队合作，获取了分离随机涨落根源的一种表征方法；对Fin-FET随机掺杂子分布的渗流进行了研究；并通过研究表明，量子局限作用在随机涨落里是个重要的存在。

——发展了完整的新的统计紧凑模型理论和方法。

工艺设计工具包（PDK）里的SPICE紧凑模型是设计者运用器件工艺实现大规模电路设计的便捷桥梁，可加速和优化设计、提升良率。

“直接从实测或仿真的随机涨落特性曲线提取统计模型，能有效继承涨落机制；大样本统计模型，能更有效地进行统计电路仿真；应用统计学中的分位图，对提取的多变量模型参数分布进行重构，并控以最小误差，可更准确地重构器件随机涨落性能的分布。”在这一新认识的指引下，王兴晟发展了完整的新的统计紧凑模型理论和方法，首次同时突破了准确复制多变量参数非高斯分布与保持参数间相关性两个关键难题。

在此基础上，他还首次提出了全局与局部可变性的紧凑模型层级模型和建模方法，成功解决了面积模型的误差问题。与黄如院士团队合作，得到了统计紧模型的一种解析方法。目前新思科技已将他们的科研成果应用到新产品中，经济效益显著。

——开拓了基于统计性能与良率的器件电路协同优化设计方法学。

随机涨落可引起集成电路性能波动、大幅降低良率。传统验证方法存在缺陷，也无法适应技术发展新要求。应用统计模型对器件与电路进行协同设计成为紧迫发展的方向。

王兴晟在国际上较早提出基于统计性能的器件与电路协同设计的概念与方法，并发展为现今采用的设计与工艺技术的协同优化。对重复性电路单元如SRAM阵列运用统计模型进行统计仿真，可将器件统计性能完整地带入电路，并完整地呈现电路单元统计性能；同时可利用开发的统计模型覆盖能力对工艺设计和电路设计做出调整，获得最好的PPAY。

三星、格罗方德、中芯国际等企业目前已布局跟进研发。

“国之重器必须掌握在自己手里”

12年来，王兴晟参与和主持了6项欧洲和英国课题，在国际著名期刊发表论文20余篇，在国际重要学术会议上发表论文、报告50多篇，已在国际上建立起自己的研究特色和知名度。其成果包括新开发的EDA方法，在学术界、产业界都产生了较大的影响。

掌握芯片产业核心技术已成为我国社会各界的共识。回国后，王兴晟将结合国家集成电路产业发展战略，依托华中科技大学及其他合作的研究与产业平台，共同应对随机涨落等挑战，希望能在先进微电子器件与电路系统的新EDA理论方法、新器件和系统等的研发与应用方面，做出自己的贡献。

“走自主创新之路，核心技术不再受制于人，才能避免供应链随时被切断的风险，这也是中兴事件给我们的启示。”他说。