台积电陈平：这三大元素指明了半导体产业未来走向

12月10日，中国集成电路设计业2020年会暨重庆集成电路产业创新发展高峰论坛在重庆举行。在论坛上，台积电（中国）副总经理陈平发表了《对半导体产业成长的展望》的主题演讲。陈平指出，从集成电路技术的发展方向来看，晶体管微缩、3D集成、软硬件协同优化设计这三大元素缺一不可，将指导未来集成电路产业的发展。

集成电路产业诞生60多年以来，经历了大型机时代、PC机时代，现在正处于移动计算时代，接下来将进入普及计算时代。陈平透露，两年前台积电预测，移动计算时代与普及计算时代的交叉点是2020年，截至2020年12月，从现在的产品体系来看，这个交叉点正在发生。

进入普及计算时代之后，从移动计算时代的智能机演变为移动计算平台、高度计算平台、车载计算平台、IoT计算平台。这四个计算平台叠加在一起，将让半导体产业重新回到指数型的高速增长时代，陈平对半导体市场前景很乐观。

今年半导体市场供不应求有很多原因，很多人可能更加关注的是供应链、华为芯片禁令等原因，但实际上除了这些外部原因之外，今年本身的需求就很旺盛。陈平表示，台积电去年预测今年的需求就很乐观，上半年遇到疫情的时候，当时不知道会不会给市场造成影响，现在看来没有造成影响，半导体产业又进入了一个高速成长期。

当前，5G和AI是热点，以5G和AI为核心的IC应用正在进入能源、制造、社会安全、健康、媒体、娱乐、通信等社会各个领域。5G是连接技术， AI是数据处理技术，5G、 AI非常依赖先进工艺，因为它们对性能、功耗和集成度要求非常高，所以5G、 AI芯片需要先进工艺支持。

除对先进工艺要求以外，5G、 AI也会带动半导体行业的发展。5G、 AI会产生大量的数据，这些数据需要落地，需要与万物互联，需要与传统的工艺、先进工艺等各种工艺结合，将带动整体半导体行业发展。

疫情是人类的大灾难，但是由于防疫的需要，疫情产生了一个良性的副作用——加速了社会数字化进程。数字化建设原本就需要推进，只是受疫情影响加速了。现在受疫情影响，在家办工成为常态，对智能办公设备需求增加；为了控制疫情扩散，对安防监控系统提出新的要求。疫情加速了数字化、全球化进程。

大数据时代将产生大量的数据，为了处理这些数据，需要用IoT设备采集数据，用5G传输数据，用云和AI来处理数据。这些数据都需要更高的处理性能以及更多的晶体管，所以晶体管数量实现惊人成长。

陈平指出，要实现更多的晶体管数量有两个路径：第一个路径是继续延伸摩尔定律，通过微缩晶体管来增加晶体管集成数量；第二个路径是实现3D集成。目前，台积电在这两个路径上都取得了很好的成果，生产出最大的GPU，拥有500亿颗晶体管，3D集成工艺做出集成2000亿颗晶体管的器件。他相信，过不了不久晶体管数量将很快被刷新。

现在5G、AI等应用共同的要求有两个：一个是Energy&utilities，不管是移动终端还是云计算都需要很高的Energy&utilities，第二个是集成度，要将更多的晶体管集成到芯片中。为了实现这两个要求，先进工艺是不二选择。

现在先进工艺能否支持智能终端、云计算等应用需求呢？陈平表示，5nm是目前最先进量产工艺，台积电5nm芯片从今年第二季度开始已经实现量产，目前来看，无论产出还是良率都非常成功。 台积电还在积极研发3nm、2nm，其中3nm进展非常顺利，计划明年完成验证，后年进入大规模量产。

台积电工艺进步关键看光刻技术的发展，EUV技术的突破正为微缩提供了保证。之前用193nm ArF immersion来处理14nm器件，现在用13.5nm EUV来处理5nm器件。 陈平认为，EUV技术还在不断升级，从光刻技术上看可以保证台积电能够生产2nm器件。

除了光刻技术之外，为了实现微缩还需要保证器件结构和器件材料。陈平表示，当器件很小的时候，器件结构不一定能支持器件的电性要求。特别进入3nm之后对器件结构又会生产新的要求，台积电已经做好了一些准备。

先进工艺对器件材料同样有新的要求，进入3nm工艺之后，器件的迁移率就会快速降低。近几年，为了顺应先进工艺的发展，研究人员又研发出了2D材料，使3nm工艺成为可能。

摩尔定律什么时候会终结呢？陈平表示，在近20年间，一直有人讨论这个话题，而且每年都有人认为摩尔定律会终结，但是我们永远不要低估了人类的创造力和创新力，当遇到瓶颈的时候，总有优秀的科学家能够找到新的方法突破。

当单片集成遇到瓶颈的时候，出现了3D-IC或者异构集成，它让摩尔定律得以延续，将成为主流。陈平透露，台积电很早就预见了该技术需求，推出了3DFabric，赋能Wafer-Level系统集成技术平台。3DFabric包含两个部分，一个部分是Chip Stacking-Frontend 3D，包含CoW/WoW，另一个部分是Advance Packaging-Backend 3D，包含CoWoS、InFO。

除了晶体管微缩、3D集成之外，还有一个值得关注，就是软硬件协同优化设计。陈平认为，从集成电路技术的发展方向来看，晶体管微缩、3D集成、软硬件协同优化设计这三大元素缺一不可，将指导未来集成电路产业的发展。

在普及计算时代，芯片需求将成倍的增加，技术要继续往前推进，台积电不断加大研发投入，2019年投资150亿美元，今年预估投资170亿美元，明年投资额还将增加。陈平认为，以现在需求来看，今后这些年产能将经常困扰我们，因为需求很大。即使现在泡沫破碎之后，需求还是向好的。