从摩尔定律说起,半导体是夕阳产业吗？-电子发烧友网

从摩尔定律说起

摩尔定律（Moore's law），不知道第一个翻译成摩尔定律的是何人，law在牛津词典中有法律、定律、规律等释义。在此处我认为称它为“摩尔规律”更合适，因为这本来就是英特尔创始人戈登·摩尔的经验之谈，并非自然科学定律。

Moore’s law，来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count

与其他物理科学定律--焦耳定律，库伦定律，开普勒和牛顿三定律等相比，听起来差不多，但实际完全不在一个层面上。这些物理学定律极大的改变了世界，改变了人类的生活，而摩尔即使不提出这个规律，集成电路依然会向前飞速发展，因为它的本质是预测，而非约束。

从市场需求和半导体本身的发展来看，目前还不能称之为夕阳产业，尤其在国内。这个提问是14年1月，到现在21年1月，整整七年过去了，依照现有的发展空间以及市场需求，未来7年依然会平稳发展。

国产替代化和市场需求

中国多年芯片进口总额超过了石油进口。19年中国芯片进口总额约3000亿美元，而石油进口总额约2400亿美元。操作系统、高端光刻机仍被国外公司垄断，90%以上传感器来自国外。[1]

从大型的手机SoC来看，手机终端商如果使用高通手机芯片，除了要支付芯片购买费用外，还需向高通缴纳专利使用费。即使手机终端商不使用高通芯片，仍需要向高通定期报备手机出货情况，并缴纳专利费。高额的进口费用，也造成了每年2000多亿的贸易逆差。芯片的国产替代化势在必行，这也是国家层面的战略。

图片来自网络，侵删

从中小型的芯片或者传感器来看，国内依然有巨大的市场。目前也有很多公司在做，比如电源管理芯片，MEMS芯片，MCU等。最近几年新成立的优秀IC公司也不少。

半导体行业从来都不是独立发展的，而是依托新的市场需求。除了题主所说的可穿戴设备，其余还有5G芯片，AIoT芯片，自动驾驶芯片，对半导体来说都是新的机遇。如果说半导体算是夕阳产业的话，那么很多其他传统行业可以说是日落产业了。

当下芯片技术的发展

从现在基于二值逻辑的半导体材料芯片来看，芯片依然会从以下几个方面发展：

工艺、材料、架构、异构、封装、Chiplet

从突破性的技术来看，有以下两个方面：

量子芯片、碳基芯片

工艺

平面晶体管时代，大家认为22nm就是极限，但是FinFET的出现为摩尔规律的发展续命。14年，很多人认为7nm是极限，但如今5nm已经量产。

3nm已经在研发的路上了，目前主要是台积电和三星两家Foundry。三星的3nm工艺会使用环绕栅极晶体管(GAA)技术，而不是现在的FinFET，新的技术可以让芯片面积减少35%，功耗下降约50%，与5nm FinFET工艺相比，同样功耗情况下性能提升33%。

三代晶体管的发展

GAA全能门与FinFET的不同之处在于，GAA设计围绕着通道的四个面周围有栅极，从而确保了减少漏电压并且改善了对通道的控制，这是缩小工艺节点时的基本步骤，使用更高效的晶体管设计，再加上更小的节点尺寸，和5nm FinFET工艺相比能实现更好的能耗比。

而台积电依然采用FinFET，预计2022年下半年台积电3nm工艺就会投产。首批客户包括苹果，高通、英特尔、赛灵思、英伟达、AMD等。

材料

半导体行业经过近七十年的发展，半导体材料经历了三次明显的换代和发展。第一代半导体材料主要是指硅、锗元素等单质半导体材料；第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓、锑化铟；第三代半导体材料主要分为碳化硅SiC和氮化镓GaN，相比于第一、二代半导体，其具有更高的禁带宽度、高击穿电压、电导率和热导率，在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。

碳化硅（SiC）相比于硅基，碳化硅拥有更高的禁带宽度、电导率等优良特性，更适合应用在高功率和高频高速领域，如新能源汽车和 5G 射频器件领域。

随着芯片在不同领域的应用，半导体材料也在随之发展。

架构

架构对一个芯片的性能来说也是至关重要的--以Intel最新发布的第11代酷睿处理器Rocket Lake-S为例，新的架构为其带来了约 19% 的 IPC （每时钟指令数）提升，以及更好的 AI 性能。

Rocket Lake-S支持全新的500系列芯片组（可享用8×DMI和USB 3.2 Gen 2×2），并兼容原有的400系列芯片组主板，全新B560芯片组主板则开放了内存超频；其他平台特性方面，Rocket Lake-S也对内存控制器进行了改良、默认支持DDR4-3200，并提供超过20条PCIe 4.0直连通道以支持高性能显卡及固态硬盘。

Rocket Lake-S 是英特尔继续「打磨」 14nm 的产物，制程潜力基本已经被挖掘殆尽，只能靠新的 Cypress Cove 内核来提升性能。

异构整合

广义而言，就是将两种不同的芯片，例如记忆体＋逻辑芯片、光电＋电子元件等，透过封装、3D 堆叠等技术整合在一起。换句话说，将两种不同制程、不同性质的芯片整合在一起，都可称为是异构整合。
因为应用市场更加的多元，每项产品的成本、性能和目标族群都不同，因此所需的异构整合技术也不尽相同，市场分众化趋势逐渐浮现。为此，IC 代工、制造及半导体设备业者纷纷投入异构整合发展，2.5D、3D 封装、Chiplets 等现今热门的封装技术，便是基于异构整合的想法，如雨后春笋般浮现。

封装

封装并不能直接提高芯片的性能，但是先进的3D封装工艺相较于传统的2D工艺有很多优势：

3D封装更有效的利用了硅片的有效区域

3D设计替代单芯片封装缩小了器件尺寸、减轻了重量

3D封装的die直接互连，互连线长度显著缩短，信号传输得更快且所受干扰更小

台积电的Wafer-on-Wafer(WoW) 3D芯片封装工艺，是通过TSV硅穿孔技术实现了真正的3D封装，和Intel的Foreros 3D封装类似，能把多个芯片像盖房子那样一层层堆叠起来，甚至能把不同工艺、结构和用途的芯片封在一起。

3D封装示意图

Chiplet

Chiplet技术就像拼图一样，把小芯片组成大芯片。
使用Chiplets 有三大好处。因为先进制程成本非常高昂，特别是模拟电路、I/O 等愈来愈难以随着制程技术缩小，而Chiplets 是将电路分割成独立的小芯片，并各自强化功能、制程技术及尺寸，最后整合在一起，以克服制程难以微缩的挑战。

此外，基于Chiplets 还可以使用现有的成熟芯片降低开发和验证成本。[3]

从上面的分析也可以看出来，异构-chiplet-封装也是相辅相成，共同发展的。

从突破性的技术来看，主要有量子芯片和碳基芯片。