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所谓的后摩尔定律时代,IC业者面临什么挑战?

2017年02月06日 11:04 次阅读

如今已近九旬高龄的英特尔(Intel)共同创办人Gordon Moore在1965年发表了一篇文章,提出了IC上晶体管数量会在接下来十年依循每年增加一倍的规律发展,其后这个理论根据数次演变,成为全球半导体产业界奉为圭臬的「摩尔定律」(Moore’s Law),伴随IC市场经历半世纪的蓬勃发展,催生无数让大众日常生活更加便利、更丰富多彩的科技。

2015年,摩尔定律欢庆50周年,Moore本人在接受IEEE期刊《Spectrum》专访时表示,其实他在发表那篇文章的时候只是分享一个趋势观察,因为当时IC技术正在改变整个电子产业的经济模式、却未被普遍承认;而他完全没有想到那样的一个理论居然被记得那么久,甚至被称为驱动产业发展的「定律」。

不过摩尔定律毕竟不是以严谨科学程序所定义的真正「定律」,Moore自己也说,那只是一种观察与推测;许多人预测摩尔定律将在2015至2020年失效,而在2012年左右,摩尔定律开始出现速度趋缓的明显迹象,当年全球半导体产业营收暨2011年仅2.1%的成长之后不升反降,出现了2.6%的负成长,接下来几年的营收表现也一片低迷,不但不复以往动辄两位数字的成长表现,在2015年还再度出现了2.3%的负成长。

半导体厂商们发现,要维持摩尔定律继续推进的成本变得越来越庞大,制程微缩不再跟随着晶体管单位成本跟着降低的效应,产业界从32/28纳米节点迈进22/20纳米制程节点时,首度遭遇了成本上升的情况;业界专家们将原因指向了迟迟未能「上台面」的极紫外光(EUV)微影技术,就因为该新一代微影技术仍未能顺利诞生,使得22纳米以下的IC仍得透过多重图形(mulTI-patterning)方法来实现,这意味着复杂的设计流程、高风险,以及高昂的成本。

市场研究机构InternaTIonal Business Strategies (IBS)的资深半导体产业分析师Handel Jones估计,当半导体制程走向5纳米节点,IC设计成本将会是目前已经非常高昂之14/16纳米制程设计成本的三倍(图1),因此设计业者「需要有非常大量的销售额才能回收投资。」

图1:IC设计成本越来越高 (来源:InternaTIonal Business Strategies)

摩尔定律究竟还能走多远?一旦摩尔定律正式走入历史,半导体产业该如何继续向前迈进?而在所谓的「后摩尔定律时代」,IC业者面临的挑战是什么?又该如何因应?

EUV微影何时救场?

在一场1月初于美国加州举行、由国际半导体产业协会(SEMI)主办的年度产业策略高峰会(Industry Strategy Symposium,ISS)上,来自半导体产业界的专家指出,如果EUV技术在2020年顺利问世,半导体技术演进还能持续到2025年。

产业顾问机构IC Knowledge总裁Scotten Jones在该场高峰会上表示:「我不认为摩尔定律已死,从事深度技术研发的人也不认为;」他指出,大厂英特尔(Intel)与Globalfoundries都透露半导体制程在后14纳米(post-14nm)节点能达到成本节省,「我相信我们有方法制造出让成本降低的新一代晶体管。」

Jones预测5纳米节点将在2019年开始在某些制程步骤采用EUV技术,或许仍得采用某种形式的FinFET晶体管;至于再往下到3.5纳米节点,将会进展至采用水平纳米线(horizontal nanowire),而该节点应该会是经典半导体制程微缩的终点;其后2.5纳米节点堆栈n型与p型纳米线,可望在2025年将晶体管密度增加60~70%。

对于EUV究竟何时能正式「上阵」,市场研究机构Semiconductor Advisors的分析师Robert Maire认为:「EUV微影真正开始量产应该是会在2020年;」他指出,台积电(TSMC)已经宣布了将在5纳米节点采用EUV微影的计划;而英特尔则可能会在7纳米采用EUV微影,与台积电的5纳米节点量产时程相当,时程预计是在2019年。

图2:各家半导体大厂先进制程节点量产时程 (来源:ISS、各家公司)

而Globalfoundries技术长Gary Patton在2016年10月来台与本地媒体分享该公司最新技术与策略方向时则表示,他预期EUV微影技术要到2019年才会迈入成熟,而Globalfoundries在该时间点之前就会量产的7纳米制程应该不会采用该技术。

目前在市场上只有来自荷兰的设备业者ASML能供应EUV微影系统,是该公司投入了三十年时间与庞大研发成本的成果,而该公司甚至获得了英特尔、台积电与三星(Samsung)等半导体大厂的联合投资,这些股东们的首要目标就是加速EUV技术的实现。ASML发言人表示:「我们预期EUV微影将在个位数纳米制程节点被应用于内存中的两个或更多层;而在最先进的逻辑制程节点(7或5纳米),则被应用于6~9层。」

ASML的第一代(采用0.33NA光学镜片、实现约13纳米的线宽) EUV微影设备NXE:3400B将在今年正式出货,预期吞吐量可达每小时125片晶圆、微影迭对(overlays)误差容许度在3纳米以内;该公司表示已有4家逻辑芯片制造商、2家内存芯片制造商表示将在2018年左右采用第一代EUV系统进行量产。

图3:ASML的EUV微影设备发展蓝图 (来源:ASML)

采用今日的浸润式微影设备需要以多重光罩才能实现的电路图形,若采用0.33NA的EUV系统预期只需要单一光罩步骤就可完成;不过半导体制程若再继续往更细微节点迈进,就算采用EUV设备也可能需要多重图形步骤。

为此ASML于去年11月就宣布以11亿美元收购光学大厂蔡司(Carl Zeiss)的24.9%股份,双方将连手研发数值孔径(numerical aperture,NA)高于0.5的版本,不过此第二代EUV微影要到2024年以后才会量产,将能实现约8纳米的线宽,预期产量为每小时185片晶圆产量、迭对误差容许度小于2纳米。

ASML技术长MarTIn van den Brink在发表上述合作案时的新闻声明中指出,新一代(0.5NA)系统将「可在次3纳米节点为芯片制造商避免复杂且昂贵的0.3NA系统多重图形步骤,以单次曝光支持高生产力,并可降低单位成本。」

不过市场研究机构VLSI Research总裁Risto Puhakka表示,产业界人士仍广泛预期,在第二代EUV系统于2024年左右问世以前,恐怕还是得使用第一代0.33NA微影系统进行多重图形。「只是需要几重图形、以及会需要多久时间?」他也指出,以往ASML不曾直接投资供应链上的任何厂商,而且是以大手笔收购高比例股份,显见要打造更新一代EUV系统是高风险任务,而且ASML势在必得。

看来如果一切顺利,2018年就能看到第一批采用EUV微影设备量产的先进制程节点IC;但机台尺寸几乎等同一间小房间的EUV,一台要价超过1亿美元(至少31亿台币),这意味着除非是财力够雄厚的半导体厂商,很难负担此尖端技术的投资。

而千呼万唤始出来的EUV微影设备就算真的在2018年之后顺利上线量产,在终端应用市场如PC、智能型手机等成长停滞、缺乏大量需求的趋势下,采用该设备之先进制程初期成本与风险势必仍然偏高,IC业者如果想只靠EUV来维持摩尔定律「制程越微缩、晶体管单位成本越低」的理论,恐怕并不容易。

所以,除了「传统」的半导体制程微缩,IC厂商们还有什么别的方法能维持利润?

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追求摩尔定律要求复杂的制造工艺,该工艺高昂的成本超过了由此带来的成本节约,在制造成本不再具备优势的时...

发表于 2016-11-23 16:18 204次阅读
半导体行业的整合并够是因为制造技术发展放缓?

半导体产业继续疯狂:深度分析谁将名列收购清单?

摩尔定律(Moore’s law)的进展速度减缓,不断提高开发成本和制造复杂度,在公司必须控制产品成...

发表于 2016-11-23 11:45 313次阅读
半导体产业继续疯狂:深度分析谁将名列收购清单?

全球半导体连续衰退 台湾为何能逆势增长?

全球半导体产业连两年衰退,台湾半导体产业逆势突围,连两年都出现成长,表现亮丽。然而在越加剧烈的竞争态...

发表于 2016-11-17 14:39 491次阅读
全球半导体连续衰退 台湾为何能逆势增长?

物联网应用带动FD-SOI制程快速增长

物联网(IoT)应用将带动全耗尽型(Fully Detleted)制程技术加速成长。为满足低功耗、低...

发表于 2016-11-17 14:23 232次阅读
物联网应用带动FD-SOI制程快速增长

台积电/英特尔等半导体老将剖析芯片产业

在日前于美国硅谷举行的美国半导体产业协会(SIA)年度晚宴上,来自半导体大厂的资深高层们表示,芯片产...

发表于 2016-11-15 10:19 222次阅读
台积电/英特尔等半导体老将剖析芯片产业

摩尔定律放缓,看科学家另辟他径挖掘芯片性能

《纽约时报》近日刊文称,由于硅半导体的发展趋近物理极限,芯片性能的提升越来越困难,于是一些计算科学家...

发表于 2016-11-07 15:31 108次阅读
摩尔定律放缓,看科学家另辟他径挖掘芯片性能

摩尔定律无效?科学家如何另辟他径挖掘芯片性能

由于硅半导体的发展趋近物理极限,芯片性能的提升越来越困难,于是一些计算科学家开始研究如何依靠新的算法...

发表于 2016-11-07 10:02 189次阅读
摩尔定律无效?科学家如何另辟他径挖掘芯片性能

摩尔定律或以“虚拟”形式继续生效 1nm制程会出...

“半导体行业将再度迎来另外三十年增长周期,”Lu在接受采访时预测称。“我们将亲眼目睹‘实质性’1纳米...

发表于 2016-11-04 15:56 192次阅读
摩尔定律或以“虚拟”形式继续生效 1nm制程会出...

美国组专家团队能找回半导体产业主导优势吗?

美国科技业创新成为主导全球网络产业的最庞大势力,也推翻许多传统产业,特别是中介服务业,使得全球政府与...

发表于 2016-11-03 10:20 143次阅读
美国组专家团队能找回半导体产业主导优势吗?

一文读懂SIP与SOC封装技术

从集成度而言,一般情况下, SOC 只集成 AP 之类的逻辑系统,而 SIP 集成了AP+mobil...

发表于 2016-10-29 14:40 2692次阅读
一文读懂SIP与SOC封装技术

关于量子计算机 13位行业专家这么说

现在,除了实验室、政府和大大小小的各类公司,投资者们,无论是来自硅谷还是来自华尔街,都想把商业化的量...

发表于 2016-10-27 14:44 788次阅读
关于量子计算机 13位行业专家这么说

7nm处理器是极限么?

从芯片的制造来看,7nm就是硅材料芯片的物理极限,到了7nm节点即使是finfet也不足以在保证性能...

发表于 2016-10-21 14:46 3091次阅读
7nm处理器是极限么?

1nm晶体管诞生 摩尔定律或将走到尽头了

最近,美国劳伦斯•伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Labor...

发表于 2016-10-10 10:29 626次阅读
1nm晶体管诞生 摩尔定律或将走到尽头了

给芯片商的最后通牒:你的传统发展空间已不足1纳米

几十年来芯片制造商一直都在与摩尔定律苦苦斗争——不能做出更小的晶体管,生存就面临威胁。但是现在,这一...

发表于 2016-10-10 08:58 205次阅读
给芯片商的最后通牒:你的传统发展空间已不足1纳米

1纳米晶体管诞生 摩尔定律有救?

台积电共同执行长刘德音先前在出席活动时才透露,目前已组成团队着手3 纳米研发,业界一片惊奇,而且现在...

发表于 2016-10-08 14:51 535次阅读
1纳米晶体管诞生 摩尔定律有救?

原创:充电桩行业的乱象,来自当年一个决定

发表于 2016-09-14 09:49 1323次阅读
原创:充电桩行业的乱象,来自当年一个决定

他们都坚信摩尔定律未死 AMD跟Intel工艺之...

不管Intel嘴上承认与否,摩尔定律其实真的受到了很大挑战,10nm及之后的工艺升级周期越来越长,晶...

发表于 2016-09-07 17:46 211次阅读
他们都坚信摩尔定律未死 AMD跟Intel工艺之...

英特尔7nm恐延至2021年 AMD要与GF分手

随着摩尔定律逐渐走向10nm以下节点,半导体制造难度越来越大,Intel也不得不调整了Tick-To...

发表于 2016-09-06 11:48 510次阅读
英特尔7nm恐延至2021年 AMD要与GF分手

从离散到聚合 半导体行业呈现新趋势

2015年,一股并购狂潮席卷了全球半导体行业。据统计,达成意向的并购市值接近1600亿美元,其中超过...

发表于 2016-08-11 10:49 272次阅读
从离散到聚合 半导体行业呈现新趋势

NI CEO Dr. T:下一代平台将把真实世界...

NI创始人兼CEO Dr.T说:“基于FPGA和PXI带给我们的差异化系统测试测量能力,我们的下一代...

发表于 2016-08-03 13:44 556次阅读
NI CEO Dr. T:下一代平台将把真实世界...

28纳米FD-SOI制程嵌入式存储器即将问世

Samsung Foundry行销暨业务开发负责人Kelvin Low在接受EE Times欧洲版访...

发表于 2016-07-28 08:50 337次阅读
28纳米FD-SOI制程嵌入式存储器即将问世

后摩尔定律时代:终于跨越鸿沟?

在20nm制程前期,是否有听过“摩尔定律终将失效”、“传统2D缩放在先进制程是行不通的”这些论述?但...

发表于 2016-07-27 15:15 414次阅读
后摩尔定律时代:终于跨越鸿沟?

摩尔定律或被打破,全球电晶体体积缩减2021年将...

根据最新国际半导体科技蓝图(International Technology Roadmap for...

发表于 2016-07-27 13:50 176次阅读
摩尔定律或被打破,全球电晶体体积缩减2021年将...

摩尔定律5年内将失效 半导体行业地震

在经历50多年的不断小型化发展之后,晶体管体积将在2021年停止缩减。这是最新的2015国际半导体技...

发表于 2016-07-26 10:36 233次阅读
摩尔定律5年内将失效 半导体行业地震

半导体行业的里程碑“摩尔定律”竟是这样来的

发表于 2016-07-14 17:00 854次阅读
半导体行业的里程碑“摩尔定律”竟是这样来的

半导体行业的里程碑“摩尔定律”竟是这样来的……

发表于 2016-07-14 11:38 972次阅读
半导体行业的里程碑“摩尔定律”竟是这样来的……

iPhone7将采用英特尔芯片 摩尔定律将终结?

据国外媒体报道,上周苹果公司宣布将在新一代iPhone上采用Intel得调制解调器芯片,而不再采用高...

发表于 2016-06-20 15:02 393次阅读
iPhone7将采用英特尔芯片 摩尔定律将终结?

半导体FD-SOI制程的决胜点在14nm!

半导体与电子产业正努力适应制程节点微缩至28纳米以下之后的闸成本(gate cost)上扬;如下图所...

发表于 2016-06-17 00:31 319次阅读
半导体FD-SOI制程的决胜点在14nm!

为什么说7nm工艺对半导体来说是个大挑战

7纳米制程节点将是半导体厂推进摩尔定律(Moores Law)的下一重要关卡。半导体进入7纳米节点后...

发表于 2016-06-16 09:20 10478次阅读
为什么说7nm工艺对半导体来说是个大挑战

任正非:华为2020年销售收入超过1500亿美元

任正非认为,华为现在的水平尚停留在工程教学、物理算法等工程科学的创新层面,尚未真正进入基础理论研究。...

发表于 2016-06-02 16:24 1448次阅读
任正非:华为2020年销售收入超过1500亿美元

后摩尔定律时代,半导体技术将走向何方?

不能否认的是,摩尔定律正在逐渐走向极限。业界对于未来技术如何发展,早已有了“More Moore”(...

发表于 2016-06-02 09:15 344次阅读
后摩尔定律时代,半导体技术将走向何方?

Globalfoundries下一代FD-SOI...

Globalfoundries技术长Gary Patton透露,其22FDX全空乏绝缘上覆矽(FD-...

发表于 2016-05-27 11:17 352次阅读
Globalfoundries下一代FD-SOI...

后摩尔定律时代芯片的出路

摩尔定律支配了计算领域 44 年的时间,今年终于宣告终结。在这之后计算领域会发生什么事?得益于半导体...

发表于 2016-05-25 09:48 1444次阅读
后摩尔定律时代芯片的出路

GPRS模块A6,WIFI模块,ESP8285,ESP32

发表于 2016-04-26 17:09 1590次阅读
GPRS模块A6,WIFI模块,ESP8285,ESP32

智能硬件互联网接入点 王者之争

发表于 2016-04-02 13:10 908次阅读
智能硬件互联网接入点  王者之争