半导体产业的发展路线图

半导体行业的发展离不开行业的共识，而行业的共识往往体现在行业所公认的路线图里面。在上世纪末，美国的半导体工业协会SIA联合欧洲和亚洲的半导体行业，开始发布大名鼎鼎的国际半导体技术路线图（ITRS）。ITRS主要的贡献是通过协调全球的半导体行业，发布了在21世纪初十多年中的芯片技术路线图，包括特征尺寸，功率密度，逻辑门密度等等。到了2015年，随着传统基于2D CMOS特征尺寸缩小的摩尔定律的发展到了尾声，ITRS也不再更新，因此2015年版本就是ITRS的最后一个版本。在当时，作为ITRS的牵头方之一，SIA发表声明将会在未来合适的时候发布新的半导体路线图。而在上周，SIA和SRC联合发布了微电子和高级封装路线图，作为ITRS的后继者。

MAPT路线图分析了未来十年内预期对于半导体行业最重要的驱动应用，其中最重要的包括：

• l数据中心和高性能计算
• l汽车电子
• l物联网和边缘计算
• l移动通信
• l生物计算

数字芯片向来是半导体芯片中最核心的品类，其出货量大，对于半导体芯片工艺的依赖度高，往往是驱动整个半导体行业发展的核心芯片品类；因此在在MAPT路线图中，对于数字芯片相关的路线图分析也是最详实的。

在MAPT中，数字逻辑未来的进步主要靠架构上的进步。MAPT提出主要的进步方向包括：

进一步提升集成度：由于半导体工艺进步在未来十年中对于逻辑密度的提升贡献有限，为了进一步提升集成度，主要需要依靠高级封装技术。高级封装技术可以用不同的堆叠方式（2.5D以及3D）把不同的芯片粒（chiplet）集成在同一个封装里并且可以解决先进工艺的良率问题，因此可望在未来中高端芯片中得到更广泛的应用。

降低数据移动开销：随着未来芯片集成度越来愈高（即逻辑越来越复杂），数据互联的开销将会成为芯片性能和能效比的主要瓶颈；例如，根据之前的研究，在10nm节点，高复杂度的SoC中数据互联的功耗开销已经占到整个芯片功耗的90%左右，而未来随着复杂度和集成度进一步提升，数据互联将会越来越成为瓶颈。为了解决这个问题，一方面需要使用高级封装技术——例如，通过3D堆叠，互联的物理距离会大大降低（因为可以垂直走线），从而降低功耗；另一个重点则是通过新的架构，例如近内存计算和存内计算，来降低开销；最后，模拟和混合信号电路的创新也能降低数据移动的开销。

正如MAPT在数字逻辑章节的分析，高级封装将成为未来半导体的主旋律。

例如，在未来五年中，一个系统中芯片粒的数量将从今天的4-10提升到10-30（提升3倍），预计在十年的时间内芯片粒数量会提升更多；在内存角度，芯片粒将会实现新的内存架构，从而改善内存墙问题，到时候希望内存的容量、速度和功耗将不再成为整个系统的瓶颈；在互联方面，未来10年高级封装的互联线数量将从今天的1000-2000上升到8000，另外使用新的IO接口技术（例如PAM8，以及高密度WDM光学互联）来进一步提升数据带宽并降低数据移动开销。

这些需求具体对应到高级封装的技术演进，MAPT在高级封装章节提出了未来十年的技术演进方向。

我们认为，在高级封装未来十年中，最关键的技术演进包括：

进一步提升IO密度：将芯片粒之间的bump（焊球）间距从100微米降低到25微米，从而将IO密度提升16倍。

进一步提升IO互联线密度：这里的互联线密度包括在晶圆正面将今天的2-3层线间距大于1微米的顶层铜互联发展到7层线间距小于1微米的铜互联，晶圆背面的RDL层互联从一层上升到三层互联并且将线间距从10微米降低到2微米；以及在晶圆间的互联线间距从5微米降低到1微米，即互联线密度提升25倍。

革新集成键合技术：从目前基于焊接（solder）的键合集成技术逐渐改进到die-to-wafer以及die-to-die的键合。新的集成键合技术将是实现高密度IO的核心技术。

模拟和混合信号电路在未来十年的半导体路线图中也扮演了重要角色，因为模拟和混合信号电路仍将是重要应用的赋能技术。

在半导体设计端，EDA/IP和芯片是利润核心环节。EDA/IP市场规模随工艺制程演进而提升，全球市场预计将达到215亿美元左右。同时，全球半导体IP市场也将持续增长，预计到2027年将达到101亿美元。在芯片类型方面，模拟、功率、存储等因应用不同体现出不同的增长表象。模拟芯片因应用分散而稳步增长，功率芯片因新能源爆发式增长而供不应求，存储芯片因算力需求而前景广阔。

下游半导体终端客户的需求变化直接影响封测行业的技术路线和稼动率。随着智能手机、数据中心、高性能服务器等应用领域对集成度的要求越来越高，低成本、低功耗、小型化等要求将持续催动Chiplet市场增加。

在路线图中，我们可以看到GaN和SiC功率电子芯片都会得到长足的发展。对于SiC来说，预计未来10-15年，支持的电压将从今天的3.3kV拓展到15-25kV，从而为新能源应用提供支持，同时也进一步增加器件载流子移动速率以提升器件的性能（支持更高的开关频率）；而GaN也在提供高器件性能和开关频率的同时增加对于高电压的支持，从今天的650V提升到3.3kV，而除此之外另一个重要的演进方向是进一步提升GaN对于硅基底（GaN on Silicon）的支持，在10年后预计200mm GaN-on-silicon晶圆将成为标准配置，从而进一步降低GaN的成本并且有机会支持更方便的高级封装集成。

半导体行业于未来依旧延续着广大的发展舞台与机缘，以下为数种或许之趋势：

人工智能和机器学习的广泛普及将为半导体需求带来推动。此类技术所需之更为高效、迅疾和稳定之半导体产物，如GPU、TPU等，皆将持续受用。

物联网之兴起将推动半导体需求之蓬勃增长。物联网所须之各式传感器、芯片、处理器和通讯设备等半导体产品，随着其在各领域应用愈趋广泛，其对半导体之渴求更将扩展。

5G技术之广泛传播将引发新的需求与机遇。5G所需之高性能、低功耗、宽带之芯片和通讯设备，将使半导体行业面对新的成长契机。

可穿戴设备和智能家居市场之扩张将推动半导体需求之蓬勃增加。此类设备所需之微小、低耗、高效半导体产物，如传感器、微控制器等，皆将因之受益。

环保与可持续发展之要求将引导半导体行业朝着更为绿色、高效之方向前进。绿色半导体技术、新能源材料和可持续制造技术，将为未来半导体行业之重要方向。

总之，半导体行业于未来仍然怀揣着广大的发展前景，技术创新、市场需求以及环保的可持续性，将共同成为其发展道路上的重要引擎。

审核编辑：黄飞