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More than Moore是什么?能否牵引半导体行业的发展?

2020-09-26 10:30 次阅读

More Moore和More than Moore牵引半导体行业的发展

摩尔定律(Moore‘s Law)是半导体行业的核心。按照摩尔定律,晶体管的尺寸随着节点(Node)而缩小。此外,把各种小型、高速的晶体管集成到芯片上这一焦点问题以及人们无限的“欲望”推动着摩尔定律发展到今天。

与旨在通过使此类晶体管小型化来提高性能的“More Moore”不同,“More than Moore”中的元件使数字电子(Digital Electronics)直面模拟世界、代表着科技领域新功能的多样化,随着5GIoT无人驾驶、神经传感(Neural Sensor)等各种各样的新应用(Application)的登场,出现了前所未有的变化。

此外,如今的很多半导体厂家虽然也很重视尺寸、速度、电力,如果要用最高的节点(Node)来做成最佳尺寸(Geometry)的话,其实并不需要使用所有的尖端技术,半导体厂家需要理解这一点。

More than Moore的技术课题是什么?

对More than Moore而言,芯片生产商直面的技术课题并不是那么难,但是,也需要具体情况具体分析、且每种情况下的要求又是不同的,例如,有些情况需要采用特殊的构造、有的需要采用非硅材料。大部分情况下,生产此类元件采用的是原用于研发硅制半导体的较大节点而开发的设备和工艺(Process),现在随着新技术和尖端知识的进步而进步。

More than Moore是什么?能否牵引半导体行业的发展?

下面我们来看看在现实和数字(Digital)之间交换信息所需要的芯片、电路种类以及它们所面对的制造方面的课题。

(1)传感器和变换器(Sensor& Transducer)

传感器和变换器(Sensor& Transducer)是把物理量的变化转为电信号,或者反之。这些变化的量、温度、压力、运动等,以及由此而产生的信号通常是模拟的,且根据值的范围而不断地变化。

传感器的值根据感知的量而发生变化。如今的汽车配备了多达数百个传感器,用于监测发动机所必须的混合燃料、车内一氧化碳浓度,涉及汽车的各个方面。加速传感器监测到汽车发生撞击并展开安全气囊。陀螺传感器(Gyro Sensor)感应汽车位置的移动。为掌握无人驾驶车辆周边的情况,需要搭载大量的传感器。搭载到新一代智能手机上的传感器,使指纹3D识别成为可能(防止黑客入侵)、使具有较高灵敏度的麦克风对Home Automation System(家居自动化系统)的指令做出反应。至于 Biomedical Sensor(生物医学传感器),不仅可以监测人体的健康情况,还可以监测人类在思考什么、如何思考的等等。

很多传感器都是使用 MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems,微电子机械系统)工艺来生产的(即与生产半导体一样,采用半导体生产工艺中使用的硅材料、工艺),而加工尺寸比硅制半导体元件要大得多。试验证明,即使是加速传感器和陀螺传感器(Gyro Sensor)也具有较高的性能。此外,通过利用性能较高的压电材料、元件(前提是采用新工艺、成膜技术、蚀刻技术),可以使3D指纹传感、灵敏度较高的麦克风的性能发挥得较好。

(2)模拟和混合信号(Analog & Mixed Signal)

一般情况下,很多从传感器输出的电信号都是将电压、电流转换成模拟波的形式。为了灵活运用它们,需要进行诸如放大或过滤等各种调整,这是模拟线路的工作。这些模拟线路还可以用于其他的情况,如用来放大发送到音频系统扬声器中的音频信号。

至于其他重要的模拟应用(Analog Application),有无线通信(如Wi-Fi、Bluetooth等)、无线射频信号(如无人驾驶系统的雷达)。对于较小尺寸(Geometry)而言,模拟线路并不总是有益的。对于模拟线路而言,一个小小的配件的细微的变化,可能对整个线路带来无法预期的影响,因此,有时候很难设计、生产。

此外,混合信号(Mixed Signal)线路是数字和模拟组件(Component)的组合体。把模拟信号转换为数字(或者反之)的元件(或者设备)是十分重要的。

常有用户提出要求说,希望用较少数量的芯片获得较多的功能,因此,此类电路的需求迅速高涨。出现了以下这种生产工艺:在同一个芯片上形成用于模拟的双极(Bipolar)晶体管、用于数字的CMOS、用于电源的DMOS等特殊类型的晶体管,这与数字线路占有较大比例的CPU等有较大的不同。

如今,混合线路的生产正在从200mm晶元向300mm晶元转移,且已经成为CMOS进行晶元尺寸转换时研发的设备的备选应用场景(Bridge Tool,桥接工具)。

(3)电源

对于所有的设备来说,电源的供给和管理至关重要。举例来说用于风力涡轮机(Turbine)和高速火车的大功率设备(High Power Device)、电动汽车上的快速充电设备和高功率设备等,快速充电和电源管理对于各种小型移动设备来说都是必须的要素。

以上这些采用的技术各不相同,一些设备采用的是横向尺寸较大、较薄的垂直结构,此外,也有基于GaN、SiC等宽带隙(Wide-Band-Gap)半导体的元件。

Lam Research大约在15年前就已经开始销售支持300mm晶元蚀刻的设备(RIE)“Versys Kiyo45”,近年来,此款设备已经满足了GaN、AIGaN基板的较高的蚀刻需求,且已经满足了200mm晶元的对应要求,正在推进作为桥接工具(Bridge Tool)的活用。

(4)光通信和光电子元件

如果网络逐步过渡过5G,人们对于能够提高线路速度的光学元件的需求将会增加。这些元件因能把光信号转化为电信号而将被广泛使用,且主要采用激光二极管(Laser Diodes)、LED。举个特殊的例子,现在人们正在研发如何把小型的LED(Micro LED)应用的智能手机的显示屏(Display)上。

这些光学元件中的光监测器(Photo Detector)接收光信号,并转换为电。而电光调制器(Electro-Optic- Modulator)则用于调整光信号的位相、频率、振幅、偏光等。而且,光隔离器(Isolator)则用来阻挡反射回来的光、导波管负责在芯片内部发送信号。

较活泼的光通信以及光电子设备多采用宽带隙(Wide-Band-Gap)化合物半导体构成的,而像导波管这样的被动元件基本是用硅制的。在这些生产工艺中,需要严格控制晶元间波长的均匀性、光学特性(如光的折射率等)。

随着互联设备(Connected Device)的迅速普及,在可携带(Portable)设备、可穿戴(Wearable)设备、IoT和5G通信、云储存(Cloud Storage)、无人驾驶技术等无数新应用(Application)领域,都在创新着适合各个领域的专用设备及需求。这些设备中的很大一部分都不需要高级节点(Node)带来的细微化工艺,且可以利用技术枯竭的传统节点导入系统,并在此系统的基础上构筑新的系统。但是,我们需要记住的是未来还需要调整某些特定的功能、提高那些通过利用新技术和新知识获得的选择性的功能。
       责任编辑:tzh

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