“虚拟”摩尔定律时代来临？

台湾半导体产业协会的理事长卢超群预期“虚拟”摩尔定律时代即将来临，并将有机会为晶片产业再次迎来成长和盈利…

台湾半导体产业协会(TSIA)理事长卢超群(Nicky Lu)正期待“虚拟”摩尔定律(“virtual” Moore’s Law)时代的来临，因为它将有机会为晶片产业再次迎来成长和盈利。

“半导体产业即将出现另一个30年的成长期。”卢超群在接受《EE Times》采访时预测，“我们即将见证‘实质’的1nm制程技术出现。届时摩尔定律将以‘虚拟的’摩尔定律形式存在。”

半导体产业需要再次起飞。管理谘询机构麦肯锡(McKinsey)在2015年的一份报告中指出，从1995年到2008年，这个领域出现了7%的复合年成长率(CAGR)，为股东带来较整个股票市场更高三倍的投资报酬。现在，情况明显有了很大的变化。

尽管有些半导体公司持续成长以及不断并吞较小规模的竞争对手，但这个领域的整体成长和营收却一直在下滑。

卢超群认为，半导体产业将有机会摆脱年营收约4,000亿美元的停滞期，并在1nm时实现1兆美元的营收前景。他在日前于日本富山市举行的“IEEE亚洲固态电路会议”上发表《新晶片途径》(A New Silicon Way)一文，描绘了一个突破晶片传统线性微缩限制的新时代。

线性微缩明显已经达到实体极限了。卢超群指出，“人们经常说致力于10nm制程，但你其实找不到任何线宽达到10nm的这个等级。”

摆脱2D平面

这正是技术发展转而采取非线性路线的原因。2011年，英特尔(Intel)发布了三闸极(Tri-gate)技术，率先从平面开发的晶片上电晶体转向三维(3D)结构。采用3D结构后，即使是微缩0.85倍也能让电晶体密度达到像是以2D平面方式实现0.5倍微缩的效果，卢超群指出。

其它公司也纷纷追随这一趋势。东芝(Toshiba)建构了48个层3D NAND，这款记忆体已经用在苹果(Apple)的iPhone 7智慧型手机上。三星(Samsung)更进一步打造64层快闪记忆体元件。尽管其技术水准大约只有32nm，但实际上等同于13nm的效果，卢超群表示。

“我们现在正处于采用垂直电晶体的‘Silicon 2.0’时代，微缩参数大约在0.8至0.85之间。”他指出，“而到了‘Silicon 3.0’就会像是一种3D的形式。我们将见证越来越多的业者朝此方向发展。”

正如卢超群在发表的论文中所描述的，他预计在‘Silicon 4.0’将出现飞跃式进展。在当前3.0基础上的技术进步催生了许多新的应用，如扩增实境(AR)、虚拟实境(VR)和机器智慧，他表示。下一个阶段则是他所谓的“异质整合”(heterogeneous integration)，或透过像整合式扇出(InFO)等技术实现矽晶和非矽晶材料的整合。

展望InFO和更先进技术

InFO是台积电(TSMC)公司开发的一种封装技术，由于将接合焊盘放在矽晶边缘，因而不需要再与基板互连。InFO可以使封装厚度减小20%、速度提高20%，同时提高10%的热性能。

英飞淩科技(Infineon Technologies)在2008年将这种技术发展成为嵌入式晶圆级球闸阵列(eWLB)，用于削减成本和封装厚度，同时提升元件的整合度。然而，在台积电推出商用化InFO之前，良率问题一直阻碍着这种新技术的导入。

“这种新的InFO结构将引领异质整合进入Silicon 4.0时代。”卢超群表示，“另一项创新是直通互连通孔(TIV)技术，它就像是利用一条管柱使晶片与外部连接。这样就能同时为晶片内部与外部实现水平和垂直互连能力。这是异质整合持续发展的关键。过去由于没有InFO技术因此无法实现TIV。”

如今，藉由InFO技术，晶片可以直接连接诸如透镜、感测器或致动器等目前嵌入于系统中但仍未微型化的元件，卢超群指出。

“这就是使用InFO实现的晶片与非晶片的异质整合。”他表示，“目前这些元件全部都被安装在印刷电路板(PCB)上，需要消耗很多功率。现在我们离最佳化的功耗还有5个数量级。”

在卢超群看来，这正是代工厂、晶片设计者和系统公司得以展开合作的新机会。晶片领域目前的整体产业规模约有3,000亿美元，但消费性电子则是一个拥有高达1.6兆美元的产业，他指出。

系统制造商需要异质整合来打造体积更小、功耗更低的元件，卢超群表示。

“未来将会十分顺利地过渡到这些新技术，毕竟我们距离摩尔定律的终结还有两代之遥。”卢超群表示，“三闸极、3D NAND和InFO等技术的进展如今都非常顺利。未来，晶片将持续微缩到5nm，而能够实现等效于1nm平面架构的性能。”