當(dāng)摩爾定律失效，芯片業(yè)何去何從？

據(jù)中國(guó)政府網(wǎng)消息，國(guó)家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第十八次會(huì)議5月14日在北京召開(kāi)。會(huì)議專(zhuān)題討論了面向后摩爾時(shí)代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)。

業(yè)界認(rèn)為，再過(guò)10年，芯片產(chǎn)業(yè)會(huì)進(jìn)入后摩爾時(shí)代。當(dāng)晶體管收縮不再可行時(shí)，創(chuàng)新不會(huì)停止，新材料、異構(gòu)整合等會(huì)成為提高芯片性能的突破方向，如3D封裝、第三代半導(dǎo)體、碳納米管芯片、量子芯片等。

摩爾定律仍在發(fā)揮余熱

半導(dǎo)體工業(yè)誕生于上世紀(jì)70年代。1965年，時(shí)任仙童半導(dǎo)體的工程師摩爾預(yù)言了集成電路發(fā)展的趨勢(shì)，后經(jīng)修正，就是大名鼎鼎的摩爾定律，即集成電路上可容納的晶體管數(shù)量每隔18-24個(gè)月就增加一倍，性能也提升一倍。換言之，為了達(dá)到摩爾定律，在二維層面，晶體管的長(zhǎng)寬需各縮小到原來(lái)的70%，才能讓芯片面積縮小近一半。

摩爾定律下CPU、存儲(chǔ)器、邏輯芯片的尺寸越來(lái)越小

50多年來(lái)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大體沿著摩爾定律在發(fā)展，但速度已有所放緩，且已逼近硅材料的物理極限。以臺(tái)積電為例，2018年4月，其實(shí)現(xiàn)了7納米工藝量產(chǎn)，2020年三季度實(shí)現(xiàn)5納米工藝量產(chǎn)，預(yù)計(jì)3納米工藝將在明年下半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。有報(bào)道稱(chēng)，臺(tái)積電2納米工藝預(yù)計(jì)在2024年量產(chǎn)，1納米工藝研發(fā)亦在推進(jìn)。

此外，各大廠(chǎng)商對(duì)工藝節(jié)點(diǎn)的命名也出現(xiàn)了分歧，不再是簡(jiǎn)單的0.7倍微縮法則。近期，IBM發(fā)布了2納米工藝，但業(yè)界有不同聲音，經(jīng)過(guò)模擬測(cè)量，認(rèn)為該工藝更接近3納米。又如英特爾的10納米芯片與臺(tái)積電的7納米芯片具有大致相等的晶體管密度。當(dāng)前業(yè)界正在討論哪種新數(shù)字或數(shù)字組合可以更好地反映進(jìn)度。

值得一提的是，荷蘭ASML公司的EUV光刻機(jī)可在大批量生產(chǎn)中提供最高分辨率的光刻技術(shù)，從而推動(dòng)了摩爾定律的發(fā)展。ASML正在研制更為先進(jìn)的EUV光刻機(jī)，如High-NA EUV（0.55NA），預(yù)計(jì)在明年交付，屆時(shí)1.5納米及更高工藝邏輯芯片生產(chǎn)將成為可能。ASML認(rèn)為，未來(lái)10年，會(huì)繼續(xù)在成像和覆膜性能方面出現(xiàn)重大創(chuàng)新。

1納米被看作摩爾定律在工藝上的極限，業(yè)內(nèi)普遍預(yù)計(jì)，摩爾定律在未來(lái)10年仍將發(fā)揮余熱。

顛覆性技術(shù)會(huì)有哪些？

后摩爾時(shí)代，技術(shù)創(chuàng)新會(huì)變得更具挑戰(zhàn)性。ASML認(rèn)為，下一代芯片設(shè)計(jì)將包括更多奇特的材料，新的封裝技術(shù)和更復(fù)雜的3D設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體行業(yè)將把來(lái)自物理、化學(xué)、生物和計(jì)算機(jī)科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的工程師聯(lián)系起來(lái)。這些設(shè)計(jì)將有助于生成現(xiàn)在甚至無(wú)法想象的消費(fèi)產(chǎn)品。它們還將推動(dòng)即將出現(xiàn)的下一波創(chuàng)新浪潮。

據(jù)了解，28納米工藝以下各節(jié)點(diǎn)各廠(chǎng)商仍稱(chēng)為0.7X微縮，但閘級(jí)線(xiàn)寬卻是約0.9X微縮，之所以摩爾定律繼續(xù)有效，主要源于技術(shù)創(chuàng)新。如面積微縮法則，存儲(chǔ)器芯片從2D進(jìn)階到3D。

英特爾展示其3D NAND技術(shù)

目前，采用異構(gòu)堆棧的3D封裝技術(shù)越來(lái)越受產(chǎn)業(yè)重視，英特爾、臺(tái)積電、三星等一線(xiàn)廠(chǎng)商積極布局，長(zhǎng)電科技、通富微電、華天科技這三大國(guó)內(nèi)封測(cè)廠(chǎng)亦有技術(shù)平臺(tái)。

臺(tái)積電展示其3D封裝技術(shù)之一

隨著集成電路制造工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)端口密度、信號(hào)延遲及封裝體積等提出了越來(lái)越高的要求，促進(jìn)了先進(jìn)封裝如凸塊、倒裝、硅穿孔、2.5D、3D等新型封裝工藝及封裝形式的出現(xiàn)和發(fā)展。

長(zhǎng)電科技認(rèn)為，3D集成技術(shù)正在三個(gè)領(lǐng)域向前推進(jìn)：封裝級(jí)集成、晶圓級(jí)集成和硅級(jí)集成。各種類(lèi)型的堆疊集成技術(shù)被用于將多個(gè)具有不同功能的芯片集中到越來(lái)越小的尺寸中。

新材料方面，第三代半導(dǎo)體被寄予厚望。目前，第三代半導(dǎo)體材料中比較成熟的有碳化硅、氮化鎵等。第三代半導(dǎo)體材料具有高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射等特性，可以實(shí)現(xiàn)更好電子濃度和運(yùn)動(dòng)控制，特別是在苛刻條件下備受青睞，在5G、新能源汽車(chē)、消費(fèi)電子、新一代顯示、航空航天等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。