摩尔规律失效，半导体已是夕阳产业？

从摩尔定律说起

摩尔定律(Moore'slaw),不知道第一个翻译成摩尔定律的是何人,law在牛津词典中有法律、定律、规律等释义。在此处我认为称它为“摩尔规律”更合适,因为这本来就是英特尔创始人戈登·摩尔的经验之谈,并非自然科学定律。

Moore’slaw,

与其他物理科学定律--焦耳定律,库伦定律,开普勒和牛顿三定律等相比,听起来差不多,但实际完全不在一个层面上。这些物理学定律极大的改变了世界,改变了人类的生活,而摩尔即使不提出这个规律,集成电路依然会向前飞速发展,因为它的本质是预测,而非约束。

从市场需求和半导体本身的发展来看,目前还不能称之为夕阳产业,尤其在国内。这个提问是14年1月,到现在21年1月,整整七年过去了,依照现有的发展空间以及市场需求,未来7年依然会平稳发展。

国产替代化和市场需求

中国多年芯片进口总额超过了石油进口。19年中国芯片进口总额约3000亿美元,而石油进口总额约2400亿美元。操作系统、高端光刻机仍被国外公司垄断,90%以上传感器来自国外。[1]

从大型的手机SoC来看,手机终端商如果使用高通手机芯片,除了要支付芯片购买费用外,还需向高通缴纳专利使用费。即使手机终端商不使用高通芯片,仍需要向高通定期报备手机出货情况,并缴纳专利费。高额的进口费用,也造成了每年2000多亿的贸易逆差。芯片的国产替代化势在必行,这也是国家层面的战略。

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从中小型的芯片或者传感器来看,国内依然有巨大的市场。目前也有很多公司在做,比如电源管理芯片,MEMS芯片,MCU等。最近几年新成立的优秀IC公司也不少。

半导体行业从来都不是独立发展的,而是依托新的市场需求。除了题主所说的可穿戴设备,其余还有5G芯片,AIoT芯片,自动驾驶芯片,对半导体来说都是新的机遇。如果说半导体算是夕阳产业的话,那么很多其他传统行业可以说是日落产业了。

当下芯片技术的发展

从现在基于二值逻辑的半导体材料芯片来看,芯片依然会从以下几个方面发展:

工艺、材料、架构、异构、封装、Chiplet

从突破性的技术来看,有以下两个方面:

量子芯片、碳基芯片

工艺

平面晶体管时代,大家认为22nm就是极限,但是FinFET的出现为摩尔规律的发展续命。14年,很多人认为7nm是极限,但如今5nm已经量产。

3nm已经在研发的路上了,目前主要是台积电和三星两家Foundry。三星的3nm工艺会使用环绕栅极晶体管(GAA)技术,而不是现在的FinFET,新的技术可以让芯片面积减少35%,功耗下降约50%,与5nmFinFET工艺相比,同样功耗情况下性能提升33%。

三代晶体管的发展

GAA全能门与FinFET的不同之处在于,GAA设计围绕着通道的四个面周围有栅极,从而确保了减少漏电压并且改善了对通道的控制,这是缩小工艺节点时的基本步骤,使用更高效的晶体管设计,再加上更小的节点尺寸,和5nmFinFET工艺相比能实现更好的能耗比。

而台积电依然采用FinFET,预计2022年下半年台积电3nm工艺就会投产。首批客户包括苹果,高通、英特尔、赛灵思、英伟达、AMD等。

材料

半导体行业经过近七十年的发展,半导体材料经历了三次明显的换代和发展。第一代半导体材料主要是指硅、锗元素等单质半导体材料;第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓、锑化铟;第三代半导体材料主要分为碳化硅SiC和氮化镓GaN,相比于第一、二代半导体,其具有更高的禁带宽度、高击穿电压、电导率和热导率,在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。

碳化硅(SiC)相比于硅基,碳化硅拥有更高的禁带宽度、电导率等优良特性,更适合应用在高功率和高频高速领域,如新能源汽车和5G射频器件领域。

随着芯片在不同领域的应用,半导体材料也在随之发展。

架构

架构对一个芯片的性能来说也是至关重要的--以Intel最新发布的第11代酷睿处理器RocketLake-S为例,新的架构为其带来了约19%的IPC(每时钟指令数)提升,以及更好的AI性能。

RocketLake-S支持全新的500系列芯片组(可享用8×DMI和USB3．2Gen2×2),并兼容原有的400系列芯片组主板,全新B560芯片组主板则开放了内存超频;其他平台特性方面,RocketLake-S也对内存控制器进行了改良、默认支持DDR4-3200,并提供超过20条PCIe4．0直连通道以支持高性能显卡及固态硬盘。

RocketLake-S是英特尔继续「打磨」14nm的产物,制程潜力基本已经被挖掘殆尽,只能靠新的CypressCove内核来提升性能。

异构整合

广义而言,就是将两种不同的芯片,例如记忆体+逻辑芯片、光电+电子元件等,透过封装、3D堆叠等技术整合在一起。换句话说,将两种不同制程、不同性质的芯片整合在一起,都可称为是异构整合。因为应用市场更加的多元,每项产品的成本、性能和目标族群都不同,因此所需的异构整合技术也不尽相同,市场分众化趋势逐渐浮现。为此,IC代工、制造及半导体设备业者纷纷投入异构整合发展,2．5D、3D封装、Chiplets等现今热门的封装技术,便是基于异构整合的想法,如雨后春笋般浮现。

封装

封装并不能直接提高芯片的性能,但是先进的3D封装工艺相较于传统的2D工艺有很多优势:

3D封装更有效的利用了硅片的有效区域

3D设计替代单芯片封装缩小了器件尺寸、减轻了重量

3D封装的die直接互连,互连线长度显著缩短,信号传输得更快且所受干扰更小

台积电的Wafer-on-Wafer(WoW)3D芯片封装工艺,是通过TSV硅穿孔技术实现了真正的3D封装,和Intel的Foreros3D封装类似,能把多个芯片像盖房子那样一层层堆叠起来,甚至能把不同工艺、结构和用途的芯片封在一起。

3D封装示意图Chiplet

Chiplet技术就像拼图一样,把小芯片组成大芯片。使用Chiplets有三大好处。因为先进制程成本非常高昂,特别是模拟电路、I/O等愈来愈难以随着制程技术缩小,而Chiplets是将电路分割成独立的小芯片,并各自强化功能、制程技术及尺寸,最后整合在一起,以克服制程难以微缩的挑战。

此外,基于Chiplets还可以使用现有的成熟芯片降低开发和验证成本。[3]

从上面的分析也可以看出来,异构-chiplet-封装也是相辅相成,共同发展的。

从突破性的技术来看,主要有量子芯片和碳基芯片。

相对来说,这两种技术目前还处在实验室研发阶段,距离商用尚远,从我目前掌握的信息来看,顺利的话,量子芯片要十年甚至更久,碳基芯片最快也要五年左右。

温戈说:

有的人在为半导体是否会成为夕阳产业而担心,却也有人在问怎样才能不错过半导体的风口。作为个人,不如踏踏实实的走好每一步,杞人忧天和投机取巧都是不可取的。

不要以为摩尔规律失效,芯片就走到尽头。人们为了对抗摩尔定律的失效,不断在研发新技术,新材料为摩尔定律续命,同时也在不同的方向进行探索。

芯片作为一个基于多门学科并包含众多高精尖技术的人造物巅峰产品,也决定了它的发展也是多方向的,半导体行业的发展对我们国家或者人类来说意义深远。