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摩尔定律可能进入终点倒计时,但半导体业进步可持续100年

时间:2022-05-18 03:00:53 作者:莫大康 阅读:
推动半导体业进步有两个“轮子”,分别是尺寸缩小及硅片直径增大,其中尺寸缩小为先。单从尺寸缩小角度,尤其是逻辑工艺,台积电等2022年将进入3纳米试产,下面还可能有1-2个节点,但是由于受物理极限影响,在1纳米时已达10个左右硅原子直径,所以讲尺寸缩小已达寿终正寝是正常的。
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业界经常议论摩尔定律接近终点,但是由于站立角度不同,看法各异,也很正常。

推动半导体业进步有两个“轮子”,分别是尺寸缩小及硅片直径增大,其中尺寸缩小为先。从逻辑工艺制程观察,由1987年的3微米制程到2022年的3纳米量产,平均每2年开发一代新的制程,是逻辑工艺制程激荡的35年。

在逻辑工艺的进程中,英特尔曾作出过巨大的贡献,如在2001年发明了称为应变硅(strained silicon)用在90纳米中,及2007年推出了45纳米的HKMG(高k金属栅极),以及于2011年在22纳米时推出了3D Tri-Gate / FinFET工艺。

但是到7纳米时也是FinFET工艺的极限,再往下的节点必须要依赖于EUV光刻机设备。

时过境迁,由于各种原因现在的台积电在逻辑工艺制程中已夺得首位,得益于它与ASML在EUV光刻机的长期共同研发中设备与工艺的紧密合作,反映工艺进步离不开设备的支持。

DRAM 工艺不同于逻辑工艺,它不以0.7x倍,从20纳米节点开始就使用了不同的命名方法,此前使用的是1x、1y、1z工艺,后来又有了1α、1β和1γ工艺。

目前三星的DRAM 工艺是最先进的,在2020年率先研发出1z 工艺DRAM ,大概是在15nm 级别工艺。随后在2021年宣告研发成功1α工艺DRAM ,换算下来是在14nm 级别工艺,还是首次使用了EUV 光刻。近期有消息称三星已经停止了相关研发,意味着DRAM的13nm 级别工艺研发可能已经失败。

为什么说定律可能进入终点倒计时  

单从尺寸缩小角度,尤其是逻辑工艺,台积电等2022年将进入3纳米试产,下面还可能有1-2个节点,但是由于受物理极限影响,在1纳米时已达10个左右硅原子直径,所以讲尺寸缩小已达寿终正寝是正常的。

据中国台湾digitimes reserch资料,月产50,000片的3纳米芯片生产线需要投资约200亿美元。

有业内人士泄露了台积电3纳米工艺的报价,由于EUV掩膜层数高达26层,3纳米工艺12英寸晶园的报价每片高达30,000美元,相比5纳米工艺的16900美元几乎翻倍,是7纳米工艺报价9346美元的3倍多。

业界传台积电不光是时间上的可能推迟,而最早说3纳米工艺能实现逻辑电路晶体管密度1.8倍的提升,后来变成1.7倍,去年又改成1.6倍;公布的性能与功耗表现提升数据也是反复修改,似无定数。

但是总裁魏哲家在2022年第1季法说会上再次明确表示,3纳米将在2022年下半量产,而2纳米可能将于2025年。

另外半导体业进步离不开设备的支持,业界共识在2纳米工艺时将采用环栅GAA架构及高数值孔径NA达0.55的EUV光刻机。据ASML的报道,新的EXE:5200 EUV光刻机将于2025年出货。

据韩国商业邮报报道,三星正在努力提高其3纳米环栅结构的工艺良率,传闻其良率刚刚达到10%到20%之间。三星4纳米工艺制造的良率也不尽如人意,仅为30-35%。

今年3月初有传闻称三星的3纳米芯片的良率只有35%,导致一些大客户出走,而转向台积电。三星不但失去了高通剩余的4纳米订单,而且高通已将骁龙8Gen1Plus的订单转给了台积电。

众所周知如良率低下的问题十分敏感、通常不会报道,但是无论三星,或者台积电似乎都已隐认,在芯片工艺制造中出现了“随机缺陷”,由此表示能解决的办法也十分有限,它从另一个侧面反映尺寸缩小可能已经接近终点。

实际上近时期以来半导体业除了倾注尺寸缩小投资之外,根据市场要求,如物联网,HPC,存内计算,人工智能等需要降低功耗,它也是头等大事。

半导体业进步可持续100年  

Finfet发明者胡正明教授等认为半导体业前景光明,还能持续上百年,它与尺寸缩小的摩尔定律已接近终点,两者之间如何解释。

实际上它们都是正确的。从半导体业发展角度,仅从尺寸缩小观察可能已接近终点。尽管业界认为从技术上看或许还有可能性,但是从成本,经济角度可能难以持续,而且现在提升芯片功能的办法很多,而且用得很好,如异质集成及先进的封装2.5D ,3D及Chiplet等,因此没有必要坚守尺寸缩小这一条道。

未来半导体业发展的前景确实光明,近期许多市场分析公司认为在2030年时产业可达万亿美元。

另外从半导体业发展观察,业界早就作好了准备,认为除了尺寸缩小之外,尚有另外两条道可走,分别是More than Moore,如利用TSV及2.5D,3D封装的异质IC集成。以及Beyond Moore,探索新原理、新材料和器件与电路的新结构等。

半导体业发展中一些准则发生改变  

  • 半导体业经过50年发展,基础理论几乎未改变,它已成为成熟产业
  • 半导体业发展的周期性已经改变,或者它的推动力改变。全球半导体业之前由供需关系推动市场增长,现阶段已转变为结构性增长
  • 芯片制造业集中,现在由于地缘政治因素转变到全球布局;台积电是典型之一
  • 未来半导体业的CAGR由5%可能增长到8-10%
  • 产能扩充由谨慎到放开,且进入产能为王的大投资时代
  • 但是未来尚有以下四个方面制约产业增长:包括人材、供应链的韧性、ESG及创新
  • 人才:短缺是客观存在,从企业层面需要吸引人才及用好人才与培养人才
  • 供应链韧性:产业链一定有起伏,企业要自始至终拥有危机感
  • ESG(企业的社会责任):要实现碳中和及碳达峰目标,因此要关注人、水电消耗及污染排放等
  • 更多创新:市场经济中生存要素,唯有不断创新,竞争胜出;全球协同及增加附加值

结语  

摩尔定律开初时实际上仅是一种“猜想”,但是之后半导体业的实践,用数据证实了它的存在以及价值。如今从尺寸缩小角度可能将接近终点,然而由于产业有强大的自我调节能力,以及会有众多新的市场推动力诞生,将推动全球半导体业持续进步及成长。

注;文章代表个人观点,仅供参考

原标题:莫大康:定律可能进入终点倒计时

莫大康:浙江大学校友,求是缘半导体联盟顾问。亲历50年中国半导体产业发展历程的著名学者、行业评论家。

本文授权转载于微信公众号“求是缘半导体联盟”

责编:Amy.wu
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