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      莫大康:定律可能進入終點倒計時

      作者:時間:2022-05-05來源:求是緣半導體聯盟收藏

      業界經常議論接近終點,但是由于站立角度不同,看法各異,也很正常。

      本文引用地址:http://www.51kbu.com/article/202205/433735.htm

      推動半導體業進步有兩個“輪子”,分別是尺寸縮小及硅片直徑增大,其中尺寸縮小為先。從邏輯制程觀察,由1987年的3微米制程到2022年的3納米量產,平均每2年開發一代新的制程,是邏輯制程激蕩的35年。

      在邏輯的進程中,英特爾曾作出過巨大的貢獻,如在2001年發明了稱為應變硅(strained silicon)用在90納米中,及2007年推出了45納米的HKMG(高k金屬柵極),以及于2011年在22納米時推出了3D Tri-Gate/FinFET工藝。

      但是到7納米時也是FinFET工藝的極限,再往下的節點必須要依賴于EUV光刻機設備。

      時過境遷,由于各種原因現在的臺積電在邏輯工藝制程中已奪得首位,得益于它與ASML在EUV光刻機的長期共同研發中設備與工藝的緊密合作,反映工藝進步離不開設備的支持。

      DRAM工藝不同于邏輯工藝,它不以0.7x倍,從20納米節點開始就使用了不同的命名方法,此前使用的是1x、1y、1z工藝,后來又有了1α、1β和1γ工藝。

      目前三星的DRAM工藝是最先進的,在2020年率先研發出1z工藝DRAM,大概是在15nm級別工藝。隨后在2021年宣告研發成功1α工藝DRAM,換算下來是在14nm級別工藝,還是首次使用了EUV光刻。近期有消息稱三星已經停止了相關研發,意味著DRAM的13nm級別工藝研發可能已經失敗。

      為什么說定律可能進入終點倒計時

      單從尺寸縮小角度,尤其是邏輯工藝,臺積電等2022年將進入3納米試產,下面還可能有1-2個節點,但是由于受物理極限影響,在1納米時已達10個左右硅原子直徑,所以講尺寸縮小已達壽終正寢是正常的。

      據中國臺灣digitimes reserch資料,月產50,000片的3納米生產線需要投資約200億美元。

      有業內人士泄露了臺積電3納米工藝的報價,由于EUV掩膜層數高達26層,3納米工藝12英寸晶園的報價每片高達30,000美元,相比5納米工藝的16900美元幾乎翻倍,是7納米工藝報價9346美元的3倍多。

      業界傳臺積電不光是時間上的可能推遲,而最早說3納米工藝能實現邏輯電路晶體管密度1.8倍的提升,后來變成1.7倍,去年又改成1.6倍;公布的性能與功耗表現提升數據也是反復修改,似無定數。

      但是總裁魏哲家在2022年第1季法說會上再次明確表示,3納米將在2022年下半量產,而2納米可能將于2025年。

      另外半導體業進步離不開設備的支持,業界共識在2納米工藝時將采用環柵GAA架構及高數值孔徑NA達0.55的EUV光刻機。據ASML的報道,新的EXE:5200 EUV光刻機將于2025年出貨。

      據韓國商業郵報報道,三星正在努力提高其3納米環柵結構的工藝良率,傳聞其良率剛剛達到10%到20%之間。三星4納米工藝制造的良率也不盡如人意,僅為30-35%。

      今年3月初有傳聞稱三星的3納米的良率只有35%,導致一些大客戶出走,而轉向臺積電。三星不但失去了高通剩余的4納米訂單,而且高通已將驍龍8Gen1Plus的訂單轉給了臺積電。

      眾所周知如良率低下的問題十分敏感、通常不會報道,但是無論三星,或者臺積電似乎都已隱認,在工藝制造中出現了“隨機缺陷”,由此表示能解決的辦法也十分有限,它從另一個側面反映尺寸縮小可能已經接近終點。

      實際上近時期以來半導體業除了傾注尺寸縮小投資之外,根據市場要求,如物聯網,HPC,存內計算,人工智能等需要降低功耗,它也是頭等大事。

      半導體業進步可持續100年

      Finfet發明者胡正明教授等認為半導體業前景光明,還能持續上百年,它與尺寸縮小的已接近終點,兩者之間如何解釋。

      實際上它們都是正確的。從半導體業發展角度,僅從尺寸縮小觀察可能已接近終點。盡管業界認為從技術上看或許還有可能性,但是從成本,經濟角度可能難以持續,而且現在提升芯片功能的辦法很多,而且用得很好,如異質集成及先進的封裝2.5D,3D及Chiplet等,因此沒有必要堅守尺寸縮小這一條道。

      未來半導體業發展的前景確實光明,近期許多市場分析公司認為在2030年時產業可達萬億美元。

      另外從半導體業發展觀察,業界早就作好了準備,認為除了尺寸縮小之外,尚有另外兩條道可走,分別是More than Moore,如利用TSV及2.5D,3D封裝的異質IC集成。以及Beyond Moore,探索新原理、新材料和器件與電路的新結構等。

      半導體業發展中一些準則發生改變

      • 半導體業經過50年發展,基礎理論幾乎未改變,它已成為成熟產業

      • 半導體業發展的周期性已經改變,或者它的推動力改變。全球半導體業之前由供需關系推動市場增長,現階段已轉變為結構性增長

      • 芯片制造業集中,現在由于地緣政治因素轉變到全球布局;臺積電是典型之一

      • 未來半導體業的CAGR由5%可能增長到8-10%
      • 產能擴充由謹慎到放開,且進入產能為王的大投資時代

      • 但是未來尚有以下四個方面制約產業增長:包括人材、供應鏈的韌性、ESG及創新

      • 人材:短缺是客觀存在,從企業層面需要吸引人材及用好人材與培養人材

      • 供應鏈韌性:產業鏈一定有起伏,企業要自始至終擁有危機感

      • ESG(企業的社會責任):要實現碳中和及碳達峰目標,因此要關注人、水電消耗及污染排放等

      • 更多創新:市場經濟中生存要素,唯有不斷創新,競爭勝出;全球協同及增加附加值

      結語

      開初時實際上僅是一種“猜想”,但是之后半導體業的實踐,用數據證實了它的存在以及價值。如今從尺寸縮小角度可能將接近終點,然而由于產業有強大的自我調節能力,以及會有眾多新的市場推動力誕生,將推動全球半導體業持續進步及成長。



      關鍵詞: 摩爾定律 芯片 工藝

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