三大措施应对半导体行业发展需求

“每一个时期的重大发明都会改变我们的生活，19世纪的钢铁，20世纪的汽车飞机等等，在推动发展力的同时也让社会蓬勃发展。而着重要说的就是20世纪中期半导体晶体管的发明，这一项发明让社会产生了巨大的变化。基于半导体建立的IT技术，让世界变成一个“村”，人类从此进入互联时代。”在2019海峡两岸集成电路产业合作发展论坛上，台积电中国区业务发展副总经理陈平谈到科技对社会的影响。

发展动力强劲的半导体产业

半导体的出现彻底改变了我们的生活，集成电路发展到现在不过60年，最早出现的时候，产品规模全球每年只有几千到几万台；7、80年代开始，电子器件普及，产品规模一年达到数亿台；而到了最近几年，手机等消费电子开始流行，每年产品规模可以达到几十亿。人类的生活在不断发生改变，越来越大的需求在不断推动新技术的产生，移动终端、高速计算平台、IOT以及自动驾驶等等，带来无数商机。

半导体产业的发展动力很强，原因无他，源于人类对美好生活的向往，陈平说道。在过去的十年里，智能机、互联网的兴起推动社会产生了巨大变革，因此社会对半导体技术的期待与日俱增。所谓“由俭入奢易，由奢入俭难”，人类已经没有办法去适应落后的设备，如今手机即将进入5G时代，AI也在悄悄改变人类的生活，所有这些最前沿高端的技术，最底层的机制都是芯片。

5G时代，每天都会产生大量的数据，为了处理这些爆炸式增长的数据，芯片需要拥有低功耗，低延时，高计算能力以及高带宽等性能，因此能效比也成了如今制造芯片的关键指标。这些听上去矛盾的性能要怎么实现？

三大法宝应对庞大的半导体需求

陈平提出了这几点思考：

1.如果想提升技术，必须延续摩尔定律的发展

陈平解释道，所谓的摩尔定律就是当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，这其实是非常激进的理论，但从1987年的3μm，到如今已经开始量产的7nm，大家似乎都不约而同的选择遵守并追赶摩尔定律。

“就台积电来说，7nm量产已经超过一年，5nm已经进入初期量产阶段，明年年底将实现量产， 3nm也已经在来的路上了，值得一说的是，我们的2nm的研发也已开始。我们在不断追赶摩尔定律，它还在继续前进，并没有失效。”陈平说道。

而不断改进缩小的工艺到底有什么用？陈平给出了这样一个例子。大家都知道华为目前大部分手机都采用自家芯片，华为mate20是其中比较火的一款手机。这款手机配备的就是华为麒麟980芯片。这款芯片集成了69亿个晶体管，拥有非常强大的性能以及极低的功耗，而这一切都是在7nm的工艺上实现的。

工艺的微缩进展得益于全行业的不断创新，摩尔定律走到尽头的言论在1992年就已经有人提起，但这么多年来却一直在延续，唱衰还言之过早，陈平称。

对于芯片制造来说，光刻机是非常重要的一部分。光刻机在发展193nm的时候停顿了很多年，最终靠浸润式技术实现了突破。如今所用的7nm技术就是依靠193nm的光刻机去实现的。如今光刻设备公司有了重大突破，euv技术让光刻不在成为微缩的瓶颈，同时新材料也有了突破，这正是陈平有自信说出摩尔定律不会终止的原因。

2.大量引进3D集成概念

虽然目前技术在不断进步，但终端产品出现越来越多的要求，需要高速的逻辑芯片以及存储器、射频芯片等等，像以往在一个平面上摊大饼显然就不合适了，这样子意味着芯片高功耗以及大面积等，与所追求的目标完全是相反的。

因此，陈平提出，目前的方法是用半导体晶片板代替集成电路板，下面布线，把不同的芯片接在下方，如果把芯片平行放置，这种方法被称之为2.5D系统，如果垂直放置，就被称为3D系统。而台积电目前已量产2.5D系统，3D系统也正在开发，就这个方向来说，发展速度与摩尔定律是平行的。

作为例子，陈平提到CoWoS这个技术，它是2.5D系统的代表。原先因为价格昂贵被多家弃用，而随着制程推进到16纳米FinFET，以及异质芯片整合趋势成形，目前已有多家厂商订购，2.5D系统可以提供高速计算，是目前比较通用的技术。

陈平还提到另一个趋势-先进封装技术，把不同工艺通过异构集成组合在一起，用完全不同的工艺制造出来的芯片集合在一起，不仅可以保存功能，还能尽可能缩小体积。

3.硬件与软件的协同优化

对于产品的生产来说，硬件很重要，软件也不能忽视。陈平说，在早先研发工艺的时候，采用的是机械方法，现在不一样，你需要看最终的设计是否是最优化的方案。因此在工艺开发的时候需要与客户紧密合作，而不能以指标作为最终目的。

在系统层面上来说，以前的gpu，cpu等优点是比较通用，可编程。但缺点也很明显，效率比较低，用硬件加速的话，功能都是特定的，灵活性不好。现在的设计将硬件加速器变成高效速率器件，同时带有可编程、可设计功能，这是在系统层面的大方向。

就陈平来看，未来soc的结构基本都会硬软件相互配合优化。而台积电也将对系统段的优化非常关注。

最终，陈平总结道，半导体产业的需求很高，现在要求已经从单一型变成综合的能效型，为了把整个系统做好，这三大法宝是必不可少的。
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