回顾2020，半导体产业十大先锋技术

2020年即将结束，半导体产业今年都有哪些亮眼的成绩呢？今天我们就来盘点一下今年半导体产业十大先锋技术，一起来看看都有谁上榜：

9月，产业链消息，台积电2nm工艺的研发进展超出预期，甚至快于原计划。

2nm已极度接近当前半导体产业所采用工艺所能达到的极限，此前，在8月底举办台积电第26届技术研讨会上，台积电确认了其5nm工艺将在明年推出N5P增强版，更先进的3nm、4nm也一并被公布。此外，台积电还正式宣布建设新的研发中心，预计将投入8000多名工程师的人力到一条先进工艺生产线上，着力攻克2nm工艺。

据消息人士透露，台积电的2nm工艺不会继续采用成熟的鳍式场效应晶体管技术（FinFET），而会采用环绕栅极晶体管技术（GAA）。

在3nm工艺节点上，台积电选择了采用FinFET而放弃了GAA，三星却在3nm工艺上一直坚持着GAA路线，台积电率先来到2nm工艺路口，其作出的选择也基本意味着接下来半导体行业整体的到前进方向。

晶体管技术的演化与半导体产业发展进程息息相关，晶体管中一个重要影响因素就是场效应，是指通过施加一个电场来实现对电流的控制，所以也就有了场效应晶体管（Field－Effect Transistor，FET）一说。

（图片源自OFweek维科网）

FinFET就是源自于场效应晶体管，在FinFET的架构中，闸门的形状类似鱼鳍的叉状3D架构。这种设计可大幅改善电路控制并减少漏电流，也可大幅缩短晶体管的栅长。

然而，芯片工艺节点发展到5nm之后，FinFET开始面临一系列难题。随着栅线之间间距的减小，以往在一个单元内填充多个鳍线的做法已不再现实，而栅线间距的减小还会导致FinFET的静电问题大大加剧并直接制约晶体管性能的提升，FinFET的出现虽然突破了平面晶体管的短沟道效应限制让电压得以降低，但在理想情况下沟道应该被栅极完全包围。因此，在5nm之后，业界迫切需要一个新的结构来替代鳍式晶体管结构，这就带来了全环绕栅极晶体管，也就是GAA。

然而，受限于摩尔定律等因素，采用GAA结构也需要满足一些条件，如：1、需要的生产工艺应与FinFET相似，从而让现有设备继续发挥作用；2、应实现对通道更好的控制，例如栅极与通道之前的接触面积更大；3、带来的寄生电容和电阻问题应得到显著改善。

以台积电2nm的研发进度来看，预计台积电2023年下半年可望进入风险性试产，2024年正式量产。

编辑点评：台积电已长期占据晶圆代工产业的制高点，按目前的进展看，它还将保持相应优势至少好几年。2nm之后，业界就面临着在商业而不是科研领域让挑战传说中的1nm硅材料技术极限的重大考验。这场大考将如何重塑产业生态呢？目前我们还难以预判。但对于中国大陆而言，最领先的企业中芯国际，本就是一个技术水平相比行业领先者落后好几代的追赶者，在美国「实体清单」制裁的阴影下，这场大考，是会给中国大陆相关企业带来「弯道超车」的机遇呢？还是进一步拉大与行业领先者的距离呢？

今年8月29日，“钢铁侠”马斯克又完成了一项常人难以完成的“壮举”，他在15万直播用户的围观下，通过无线装置连接植入猪大脑中的芯片，实时监控猪的大脑活动。

脑机接口公司Neuralink朝一只名叫格特鲁德的小猪身上被植入了Link V0．9芯片，当马斯克抚摸格特鲁德的鼻子时，在电脑上呈现了数据化的信息状态，当格特鲁德围绕着一支笔嗅来嗅去时，同样可以看到设备传输出来的数据，显示小猪脑部活动情况。这背后所蕴含的技术，是通过让大脑和计算机之间建立数字连接，从而产生相应的电极信号并让小猪大脑活动可视化呈现。

（马斯克发布会直播截图）

重点在于，植入脑机接口手术的小猪与未植入设备的猪没有什么两样。而植入式芯片Link V0．9大小约为一枚硬币，直径23mm，厚度8mm，可采集传输上千（1024个）通道的神经放电信号，拥有全天续航能力，支持远程数据传输，可感知温度、压力等数据。其植入方式与传统的医院手术开刀不同，Link V0．9的植入全程由自动化机器人完成，无需麻醉，耗时不到一小时。

据Neuralink介绍，他们最初希望利用这项技术帮助瘫痪患者控制自己的电脑和智能手机。下一步，该技术可以用于治疗脑疾病患者，如帕金森氏症，以及应对大脑和脊髓损伤或治疗自闭症和肌萎缩性侧索硬化症（ASL）等疾病。

编辑点评：目前，人们已经看到了植入芯片带来的科技价值，但最重要的是，人们自身愿不愿意接受体内植入芯片？周围一起生活的人又能否接受植入芯片的人？另一方面，即使很多植入人体的芯片都经过了严格的组织相容性实验，对材料有特殊的要求，但依然不能保证百分之百的安全。到底芯片植入大脑，是不是解决部分脑部相关疾病的最佳手段，或许要等到马斯克下一阶段的实验才能见得分晓。

像台积电在晶圆代工领域的地位，在光刻机领域，荷兰ASML公司也占据了行业鳌头。

进一步的，在当前市场上最先进的EUV光刻机领域，ASML更是独上了这块细分市场。2019年，ASML出货26台EUV光刻机，为半导体产业探索更先进制程工艺量产的行动提供了强有力后盾。

3月，据媒体报道，ASML公司正在研发新一代EUV光刻机，预计将在2022年开始出货。据ASML此前公布的报告，在2019年出货26台EUV光刻机的基础上，预计2020年将交付35台，2021年则会达到45－50台的交付量，是2019年的两倍左右。

ASML出货的EUV光刻机主要还是以NXE：3400B及改进型的NXE：3400C为主，两者基本结构相同，但NXE：3400C采用模块化设计，维护更加便捷，平均维修时间将从48小时缩短到8－10小时，支持7nm、5nm。

此外，NXE：3400C的产能也从之前的125WPH（每小时处理晶圆数）提升到了175WPH。

不论NXE：3400B还是NXE：3400C，都还是第一代EUV光刻机，主要特点是物镜系统的NA（数值孔径）为0．33。

ASML披露他们在研发新一代EUV光刻机EXE：5000系列，NA指标达到了0．55，主要合作伙伴是卡尔蔡司、IMEC比利时微电子中心。与之前的光刻机相比，新一代光刻机意味着分辨率提升了70％左右，可以进一步提升光刻机的精度，毕竟ASML之前的目标是瞄准了2nm甚至极限的1nm工艺的。

编辑点评：新一代EUV光刻机预计至少到2022年才能出货，大规模出货要到2024年甚至2025年，届时，台积电和三星按预期也应该在推进3nm及以下制程工艺的生产了。

半导体产业链很长，但每一项巨大进步背后都是产业链各环节大量小进步积累的结果。光刻机是半导体产业非常重要且关键的一个环节，它的进步对于整个产业整体的进步非常重要。

9月1日，浙江大学联合之江实验室在杭州发布一款包含1．2亿脉冲神经元、近千亿神经突触的类脑计算机Darwin Mouse。

这是我国第一台基于自主知识产权类脑芯片的类脑计算机，该计算机使用了792颗由浙江大学研制的“达尔文二代”类脑芯片，支持1．2亿脉冲神经元、近千亿神经突触，神经元数量规模相当于小鼠大脑，典型运行功耗只需要350－500瓦。值得一提的是，Darwin Mouse也是目前国际上神经元规模最大的类脑计算机。

（图片源自浙江大学官微）

研究团队还针对类脑计算机研发出了专用的操作系统——达尔文类脑操作系统（DarwinOS），实现对类脑计算机硬件资源的有效管理与调度，支撑类脑计算机的运行与应用。

这台类脑计算机展示了统一调度多个机器人抗洪抢险场景下的协同工作。3台机器人可分别承担巡逻、抢险、营救任务。还展示了听歌识曲、记忆语音、意念打字等功能。

编辑点评：由于类脑芯片巨大的发展潜力和广阔的市场前景，类脑智能技术已成为各国科技战略重点和力推的核心科技发展领域。随着美日德英等发达国家类脑研究发展战略的出台，中国的类脑科学研究项目也已经正式启动。但是类脑研究需要基于对人类大脑的深入认知，虽然近10年来，人们对这个大脑这个神秘器官的认知迅速增长，但大脑的终极奥秘依然是一个谜团。

总而言之，尽管当前类脑芯片无论在规模还是智力上与真实的人脑仍存在很大差距，但是它也具备人脑无法企及的优势。如今，全世界类脑科学研究的新赛道已经形成，相信接下来会涌现出不少颠覆性理论和革命性技术成果。