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另辟蹊径再续摩尔定律

2019-11-10
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来源:内容来「集成电路产业研究」,谢谢。


一、摩尔定律是一种基于统计的推测


过往集成电路的发展是摩尔定律有效印证。摩尔定律在1965年被第一次提及,其基论点为在维持最低成本的前提下,以18-24个月为一个跨度,集成电路的集成度和性能将提升一倍。我们所熟知的10nm、7nm芯片其命名方式是根据工艺节点而定的。特征尺寸(critical dimension, CD)是衡量工艺水平的技术指标,根据国际半导体技术路线图(ITRS)的规定,工艺节点通常以晶体管的半节距(half-pitch)或栅极长度(gate length)等特征尺寸来表示。按照摩尔定律的发展规律,集成电路芯片的集成度每18-24个月翻一倍,即工艺节点以1/√2的系数逐步缩减,工艺节点越小,制造工艺越先进。从过去数十年的数据来看,集成电路的制造成本、芯片功耗和芯片性能这三大指标都沿着摩尔定律一直向前发展,因而其有效性一直得以延续。


摩尔定律形成于统计结果,是技术发展的一种合理推测。与其他科学定律不同,摩尔定律更应当被理解为经济学规律,是由集成电路产业和技术发展所得出来的结论。在定律被提出后的一段时间里,集成电路的发展动力较为强劲,约每18个月工艺就进行一次迭代。随着工艺节点不断缩小,工艺的迭代速度已经有所放缓。2015年发布的国际半导体技术线路图(ITRS)显示,随着集成电路尺寸不断减小,技术瓶颈在制约工艺的发展,从2015年以来产品换代速度已下降到24个月,这个速度预计将保持到2030年。


表1 ITRS2.0报告部分技术路线图
资料来源:ITRS


二、三大因素制约摩尔定律发展

物理效应、功耗和经济效益成集成电路工艺发展瓶颈。集成电路性能、功耗及制造成本是评判摩尔定律是否有效的重要的标准。目前主流芯片厂商的产品已经进入到10nm以内,遵循以往的技术路径,即按比例不断缩小器件尺寸已无法实现摩尔定律。


从物理角度来看,集成电路尺寸已进入到介观尺寸范围内,各种物理效应都会成为集成电路发展的阻力,如杂质涨落、量子隧穿等。介观物理和基于量子化的处理方法是应对这些物理效应的有效手段,但目前这些前沿技术还无法应用到量产中。


时钟频率是评估芯片性能的重要指标,频率越高,芯片性能越强,但时钟频率提高意味着功耗随之上升。目前每一工艺节点的演进会使芯片时间频率有20%的提升,而功耗也以一定的幅度在增加。若保持功耗不变,即使将工艺节点不断缩小,时钟频率也得不到提升,甚至在某一节点开始下降。散热问题是功耗上升后所要面临的一大难题,直接关系到芯片的可靠性和寿命,在工艺节点不断缩小的情况下,探索功耗和性能的平衡点,保证芯片在合理的工作温度运行,考验着各大厂商。功耗成为另外一个制约集成电路发展的因素。


所有工艺和技术的最终落脚点都是利润。从成本的角度来看,20nm成为加工成本的一个分水岭。在20nm以前的技术节点,加工成本都有一定的下降。但从20nm开始,加工成本下降的趋势被打破,开始显著上升。成本的增加挤压厂商的利润,在一定程度上限制研发的投入,研发速度将有所放缓。


物理效应、功耗和经济效益是现阶段制约摩尔定律演进的关键因素,当前需要重新探索集成电路的发展规律和路径。


三、另辟蹊径再续摩尔定律


新理论和新技术推动产业步入后摩尔时代。目前业界认为集成电路产业发展已经进入到后摩尔时代。身处后摩尔时代,厂商必须突破原有的研发路径,利用新理论和新技术来培育新的增长动力,性能与功耗的比值将成为评判技术和产品的重要指标。业界已提出后摩尔时代产业发展的四种路径,即延续摩尔(More Moore)、扩展摩尔(More than Moore)、超越摩尔(Beyond Moore)和丰富摩尔(Much Moore)


(一)延续摩尔(More Moore)


结构优化和工艺微缩,共同助力延续摩尔。延续摩尔基本思路是从经典CMOS转向非经典CMOS,半节距按比例减小,采用非经典器件结构等,从结构的设计及布局来实现产品的微缩,其本质是通过采用新的器件的结构和布局来实现芯片的设计和加工。系统芯片(SoC)是高度集成的芯片产品,是延续摩尔的一个重要应用。这类芯片是从设计的角度出发,是将系统各组件高度集成到一块芯片上。组件的尺寸决定着相同面积上的芯片可以集成器件数量,工艺微缩表现为随着工艺能力的提高,器件尺寸越小。因而,工艺微缩对于系统芯片影响较为显著。设计端在使用更合理的结构的同时,更小尺寸的器件将会加大其可操作的空间。系统芯片与其他类型芯片相比,其集成度更高,速度更快。这优势源于其从设计出发,实现从需求到产品的过程,因而更具有针对性。系统芯片是延续摩尔这一发展方向上较为突出的亮点,也是摩尔定律得以延续的一大佐证。


外企引领高水平,国产产品有望追赶。目前市场上利用延续摩尔思路发展的产品有CPU、内存、逻辑器件等,这些产品占整个市场份额的50%。从各大厂商所公布的数据来看,台积电和三星两家公司已具备7nm芯片量产的能力,这两家公司在2018年晶圆代工全球市场份额分别为54.39%和14.40%。而国内龙头中芯国际在今年早前宣布实现14nm工艺量产。目前国内工艺技术还有待提高,同时国外龙头面临产业瓶颈导致研发周期加长,也给国内厂商提供了追赶国际先进水平的窗口期。


(二)扩展摩尔(More than Moore)


技术优势和市场决定扩展摩尔价值。与延续摩尔所采用的方式不同,扩展摩尔的本质是将不同功能的芯片和元件组装拼接在一起封装。其创新点在于封装技术,在满足需求的情况下,可快速和有效的实现芯片功能,具有设计难度低、制造便捷和成本低等优势。这一发展方向使得芯片发展从一味追求功耗下降及性能转向更加务实的满足市场需求。这方面的产品包括了模拟/RF器件、无源器件、电源管理器件等,占集成电路市场约50%份额。


系统级封装(SiP)优势凸显。系统级封装在扩展摩尔的思路上技术较为成熟且具备量产条件。系统级封装可以将一个系统或子系统集成在一个封装内,应用此技术可突破PCB自身不足带来系统性能的瓶颈,能最大限度实现各子芯片之间互联互通,充分发挥各芯片和器件的作用。引线键合封装工艺和倒装焊工艺是实现封装两种可互相替代的关键性工艺,现被各大厂商广泛应用,其对于系统级封装起到至关重要的作用。


3D封装成系统级封装亮点。3D封装技术是把不同功能的芯片或结构,通过堆叠技术或过孔互连等微机械加工技术,使其在Z轴方向上形成立体集成和信号连通的技术。从系统级封装的传统意义上来讲,因为在Z轴上有了功能和信号的延伸,所以凡是有芯片堆叠的都可以称之为3D。3D封装运用到的技术有封装堆叠(PoP)、芯片堆叠(SDP)、硅通孔技术(TSV)及硅基板技术。其中硅通孔技术是3D封装技术的关键,也是当前技术先进性最高的封装互连技术之一。3D封装具有四大优势:可缩短尺寸、减轻重量达40-50倍;在能耗不增加的情况下,运转的速度更快;寄生性电容和电感得以降低;更有效的利用硅片的有效区域,与2D相比3D效率超过100%。3D封装虽然优点突出,但其有一个弱点是各大厂商都需要攻克的难题,即功率密度随电路密度提升而提升,解决散热问题是3D封装技术的关键。


技术决定市场份额,台积电、英特尔将独占鳌头。SoIC是台积电推出的一种创新的多芯片堆叠技术,是一种晶圆对晶圆的键合技术,本质是一种3DIC制程技术。SoIC是基于台积电的CoWoS(Chip >)与多晶圆堆叠(WoW)封装技术开发的新一代创新封装技术。SoIC解决方案将不同尺寸、制程技术及材料的裸晶堆叠在一起。相较于传统使用微凸块的三维积体电路解决方案,台积电的SoIC的凸块密度与速度高出数倍,同时大幅减少功耗。英特尔则推出Foveros有源内插器技术,其3D封装将内插器作为设计的一部分,这种设计是超越自身EMIB设计的一步,适用于小型实现或具有极高内存带宽要求的实现。内插器包含将电源和数据传送到顶部芯片所需的通硅孔和走线,但它也承载平台的PCH或IO。实际上,它是一个完全工作的PCH,但是有通孔,允许芯片连接在顶部。通过为每种情况下的工作选择最佳晶体管,在正确的封装下组合在一起,从而获得最佳的优化效果。


(三)超越摩尔(Beyond Moore)


自组装器件是超越摩尔领域取得突破的关键。在集成电路目前的架构中,信息的传递和处理都是以电子作为基本单元。从信息传递的角度来看,单个电子是不能传递信息的,多电子组合才能携带信息。与此同时,信号在传递过程中还会存在能量消耗并产生热量。若寻找到其他基本单元自身可以携带信息或者信息传递过程中不会消耗能量,将会降低功耗并提升性能,打破现在所面临的发展瓶颈问题,这类研究则属于超越摩尔。目前越越摩尔方向主要处在研究阶段,量子器件、自旋器件、磁通量器件、碳纳米管或纳米线器件等能够实现自组装的器件是超越摩尔方向研究的热点。


(四)丰富摩尔(Much Moore)


在微纳电子学、物理学、数学、化学、生物学、计算机技术等领域高度交叉和融合的背景下,集成电路理论和技术加速创新突破。在这些理论和技术的指导下,对集成电路的理解可能进入到另外一个维度,在制作工艺和产品上实现质的飞跃。这一方面的发展需要相关学科理论的突破才能传导到集成电路行业,因而现阶段在丰富摩尔发展方向上还未能取得有效的进展。


四、总结


摩尔定律是基于集成电路产业发展现实所得出来的合理推测。随着器件尺寸不断减小,技术瓶颈开展显著制约工艺发展,当前产品迭代速度已下降,因此,需要重新探讨集成电路产业和技术的发展方向。目前,业界已开始沿着延续摩尔(More Moore)、扩展摩尔(More than Moore)、超越摩尔(Beyond Moore)和丰富摩尔(Much Moore)四个思路开始探索。

从技术的角度看,超越摩尔和丰富摩尔这两大方向突破尚需时日,从研究突破到实现量产,还有很长的路要走,并且,这两大方向目前尚未出现确定趋势。然而,以小尺寸SoC为代表的延续摩尔和以SIP技术为代表的扩展摩尔,在技术研发和量产工艺方面则更接近商用量产,将会是未来一段时间集成电路产业的发展趋势。

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