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半导体行业新技术

时间:2020-11-02 02:42

  半导体行业的新技术及发展前景 半导体行业的新技术及发展 半导体产品中目前以 DRAM、SoC 和 NAND 闪存三者最为重要。随着半导体工 艺技术的发展,加速缩小芯片尺寸而降低成本成为业界竞争焦点。上世纪 80 年 代后半期•,DRAM 充当了半导体技术发展的驱动器,进入 21 世纪,逻辑芯片或许 将成为半导体产业的推动力。 x8GS1KY jJpZXyEz•.DH:!ION5qP6-A7TM otinalBcusfhgrdvbw,LkCW em 情 热 造 创 现 求 追 发 激 演 3表 力 能 用 运 合 综 础 基 案 图 、 识 知 彩 色 生 学 养 培 习 练 计 设 。 平 水 美 审 化 文 高 提 , 赏 欣 和 绍 介 的 装 服 对 过 通 目前 45nm 已是量产技术,32nm 已开发成功并推出产品,22nm 则是下一个开 发目标。据 ITRS(国际半导体技术发展路线图)预测•,今后半导体工艺还将继续 向前发展,2016 年可望达到 10nm。摩尔定律在英特尔和 IBM 两大半导体主导公 司的坚挺下依然存活,但需要面对的不仅是技术问题,还有更紧迫的经济问题, 因此,竞争前的合作无疑已是今天技术发展至为重要的关键因素。 器件的发展目标是一个永恒的课题••,工艺发展目标是支持器件发展的具体 手段,材料和生产设备则是成功的基础。器件和工艺的发展目标,高集成、多功 能和低功耗是半导体器件追求的主要目标,与之相配合,器件的结构包括新型 CMOS 结构和三维器件结构等也需同时发展。工艺的发展目标如微细加工技术•、 新材料引进、 更大的晶圆直径等都很重要,具体的工艺技术则包括了新的光刻技 术、新材料加工处理技术•、薄膜技术•、高 K/金属栅/低 k/连接技术等。 英特尔公司的发展一直受到 PC 强势需求、战略研发投资和制造工艺不断革 新的驱动•,始终保持着领先的地位并引领着业界的前进。它的 Atom 芯片设计已 实现 1GHz 的工作频率,而功耗减少到上一代产品的 1/10。未来的处理器将在 板上集成 centrino 无线电路•。IBM 公司通过产学官的合作,最近投资 15 亿美元 探索“后 CMOS”(beyond CMOS)技术,并计划与大学合作组织半导体封装中心•。 IBM 与 AMD、飞思卡尔、意法半导体、东芝等 5 家公司以及美国纳米科学与工程 学院(CNSE)共同率先在业界开发出 22nm 工艺的 SRAM•,并已确认可正常工作。 摩尔定律的存在已超过了 40 个年头, 业界也一直在反思和思考, 除了每 10~ 12 个月使芯片密度翻番(摩尔定律)之外,有没有别的途径可使芯片增加价值。 答案是肯定的,这就是所谓“超越摩尔定律”(more than Moores Law)。就当 前而言,在数字消费电子的牵引下,化合物•、TSV(Through silieon via,硅贯 通电极)和 MEMS 三者对推进半导体技术发展具有强大魅力•。 观察今年召开的 ISSCC(国际固态电路会议)大会,可看到半导体技术发展的 最新动态, 以及各公司在经济不景气的情况下如何迎接变革。会上继续积极推进 CMOS 工艺发展的仅是少数企业,而更受人注目的则是有关促进高集成化/低成 本化的技术,以及医疗,能源等新领域的发展。 非微细化领域以应用多样化为代表,一是以医疗和能源为中心开拓新的市 场•;一是以 SiC、有机材料、强电介质材料等为主的灵活应用。 x8GS1KY jJpZXyEz.DH:!ION5qP6-A7TM otinalBcusfhgrdvbw,LkCW em 情 热 造 创 现 求 追 发 激 演 3表 力 能 用 运 合 综 础 基 案 图 、 识 知 彩 色 生 学 养 培 习 练 计 设 •。 平 水 美 审 化 文 高 提 , 赏 欣 和 绍 介 的 装 服 对 过 通 模拟技术论文包括面向测控设备的高精度 CMOS 放大器(采用低 Chopping 技 术),灵活应用离散时间模拟信号处理器的 PLL,高输出功率的 D 类音频放大器 等,独特的模拟技术提案数量甚多•。 RF 领域中•,CMOS 电路技术的进展明显。许多论文都是关于在一个终端里如 何利用高集成化的 CMOS 技术,来将多模/多频转化为可编程的通用无线技术。 尤其受到关注的是荷兰 Twente 大学的软件无线电接收电路。 毫米波 CMOS 已超过 100GHz,美国加州大学等开发的 65nm CMOS 放大器已可在 150GHz 频段工作•。 随着半导体工艺的发展,集成 23 亿个晶体管的微处理器已经亮相,芯片上 的晶体管数还会继续增加。使用这么多晶体管的系统性能可大大提高。此外,处 理器的多核化、存储系统、芯片间的通信、可靠性、功耗•、时钟频率、电源等综 合技术的开发十分重要, 也引起了业界重视。英特尔公司发表的片上电源控制用 微控制器,厚 71μ m,采用低阻抗金属布线W••,适用于便 携设备到服务器的广泛领域•。另外,该公司发表的 45nm6 核 Xeomg 处理器通过 FSB(前端总线)可实现与存储系统之间 1.066GT/s 的通信,功耗为 65W。 存储器方面,NAND 存储器的微细化已达到 34nm~43nm 的水平,多值技术已 推进到 3 位/单元~4 位/单元,实现了 32Gb~64Gb 的容量。闪存叠层的三维 SSD 向着低功耗的方向发展,东京大学与东芝公司推出的 SSD 产品的功耗可减少 68%,日本庆应义塾大学等发表的三维 SSD 通过磁场耦合使接口功耗减少了一 半,传输速率达 2Gbps。 三星公司利用 TSV 技术将 4 个 2Gb DRAM 进行三维叠层,实现了业界最大容 量的 8Gb DRAM。 东芝公司发布了旨在取代 DRAM 的 128Mb Chain FeRAM,采用 0.13 μ m 工艺,数据传输速率达 1.6GBps。 2013 年中国 IC 行业在资本运作层面出现了一个小高潮:9 月底澜起科技在 美国 Nasdaq 成功上市•, 成为过去 10 年在美国上市的第 4 家中国集成电路设计企 业,也是近 3 年来在美国上市的唯一的中国集成电路设计企业。在此之前,同方 国芯以定向增发的方式实现了对深圳国微电子的合并;紫光集团斥资 17.8 亿美 元收购了展讯通信, 创造了中国集成电路设计业最大的资本并购案,展现出资本 市场对集成电路设计企业的高度兴趣。除此之外,在技术研发、新品发布、专利 权交易诸多层面•,中国集成电路均表现出了相当的活跃度。相比之下,2013 年 x8GS1KY jJpZXyEz.DH:!ION5qP6-A7TM otinalBcusfhgrdvbw,LkCW em 情 热 造 创 现 求 追 发 激 演 3表 力 能 用 运 合 综 础 基 案 图 、 识 知 彩 色 生 学 养 培 习 练 计 设 。 平 水 美 审 化 文 高 提 •, 赏 欣 和 绍 介 的 装 服 对 过 通 全球半导体增长率可能只有 1%。 然而, 活跃的市场并没有给中国半导体业者带来成就与满足,当今大多数中 国半导体人员都存在一种危机感,这种危机感可以从近日召开的“2013 北京微电 子国际研讨会”所有演讲嘉宾的发言中清楚地感受出来。 压力不仅来源于中国 IC 企业长期存在的小而散、创新能力不足等老大 难问题久拖无解, 更来自于国际半导体业界日益临近的技术变革,已对中国企业 的生存形成挑战•。在当前形势之下,中国半导体要想不被淘汰,进而取得进步与 发展,只有跳出以往的窠臼,探寻全新的发展思路,包括管理模式创新、投资模 式创新,以及商业模式创新等•。 半导体健康发展事关网络和信息安全 集成电路产业的重要性不言而喻,它是信息技术产业的核心•,国家重要 的基础性、先导性和战略性产业。对此,国务院副总理马凯日前在深圳•、杭州和 上海调研时多次强调指出, 发展集成电路产业是中央的战略决策,并将集成电路 产业的发展提升到推动经济转型升级和保障国家安全的高度。 如此重视,不仅因为集成电路产品应用遍及通信•、计算机•、多媒体、智 能卡、导航、功率器件、模拟器件和消费类电子等不同领域,市场庞大(根据中 国半导体行业协会数据,2012 年中国半导体市场规模近万亿元),还因为这个市 场所蕴含的机会, 在未来依然无比诱人。 华美半导体协会会长兼理事长彭亮指出, 在世界进入后 PC 时代后,未来几年围绕移动智能终端所开发的各类芯片仍然是 市场热点,将维持高速发展的态势•。 中国半导体行业协会集成电路设计分会理事长魏少军指出, 集成电路作 为电子信息产业的核心和基础,其发展不仅对 IC 业自身至关重要•,更会对下游 的整机系统产生重大影响, 是事关网络和信息安全的大事。中科院微电子所所长 叶甜春指出, 集成电路已成为事关国家竞争力的战略高技术产品,集成电路制造 技术是大国综合科技实力竞争的必争战略制高点。 中国高端制造装备与材料依赖 进口, 制造工艺缺乏自主知识产权的局面必须扭转。而庞大的市场需求提供了历 史性的产业发展机遇与空间。 然而,随着半导体迈向 14nm 时代,产业型态正处在一个发生重大技术变 革的端口, 以往我们熟知的产业周期正在逐渐消失••,以往习惯的发展节律也有可 x8GS1KY jJpZXyEz.DH:!ION5qP6-A7TM otinalBcusfhgrdvbw,LkCW em 情 热 造 创 现 求 追 发 激 演 3表 力 能 用 运 合 综 础 基 案 图 、 识 知 彩 色 生 学 养 培 习 练 计 设 。 平 水 美 审 化 文 高 提 , 赏 欣 和 绍 介 的 装 服 对 过 通 能被打乱,这给仍以小、微企业为主的中国 IC 设计业带来了严重挑战。 全球集成电路正进入后摩尔定律时代,工艺不断走向细微化。提高光刻分辨 率的途径有 3 种:缩短曝光波长•、增大镜头的数值孔径 NA 以及减少 k1。显然, 缩短波长是主要的也是方便易行的。目前市场的 193nmArF 光源是首选,再加入 浸液式技术等,实际上达到 28nm 几乎已是极限(需要 OPC 等技术的帮助)。所以 fabless 公司 NVIDIA 的 CEO 黄仁勋多次指出工艺制程在 22nm/20nm 时的成本一 定比 28nm 高,因为当工艺尺寸缩小到 22nm/20nm 时,传统的光刻技术已无能为 力,必须采用辅助的两次图形曝光技术(DP)。从原理上 DP 技术易于理解,甚至 可以三次或者四次曝光, 但是必然带来两个大问题:一个是光刻加掩模的成本迅 速上升, 另一个是工艺的循环周期延长。 一个有关成本的数字是•, 从 65nm、 45nm、 28nm、22nm、16nm 一路发展下来,芯片的研发制造成本越来越高•。22nm 工艺节 点上•, 一条达到盈亏平衡的生产线nm 工艺节点时可能达到 120 亿美元~150 亿美元。 除了尺寸缩小之外,半导体产业尚有 450mm 硅片、TSV3D 封装、FinFET 结构与 III-V 族作沟道材料等诸多新的关键技术工艺逐渐达到实施阶段。 以至于 目前只有少数高端芯片设计公司可以负担这些研发费用, 继续跟踪定律的厂家数 量越来越少。近两年来••,尽管全球半导体业几乎徘徊在 3000 亿美元左右,但是 代工业却创造了一个又一个奇迹。2012 年全球半导体增长不足 1%的时候•,代工 业销售额却达到 345.7 亿美元,与 2011 年的 307 亿美元相比增长率达 12.6%。 发展中国半导体产业需要创新思路 集成电路设计企业说到底是一个产品企业, 其生存和发展依赖的是企业 的芯片产品,在同质化严重的大背景下,创新成为设计企业突围的关键,当然这 种创新不仅局限在产品创新、技术创新上,管理模式创新、投资模式创新以及商 业模式创新等也极为重要•。 首先是组织模式创新。在探讨我国 IC 产业发展模式时,业界经常呼吁 要尽快实现整机和芯片联动, 以使芯片企业能够通过与国内整机企业的合作,更 好地把握市场需求,增强市场拓展能力;而整机企业也可通过联动,得到芯片企 业更好的技术支持, 提升核心竞争能力。然而这一设想一直缺乏有效的组织管理 机构和协调机制。 根据魏少军的介绍,未来我国有望成立一个国家级的集成电路 x8GS1KY jJpZXyEz.DH:•!ION5qP6-A7TM otinalBcusfhgrdvbw,LkCW em 情 热 造 创 现 求 追 发 激 演 3表 力 能 用 运 合 综 础 基 案 图 •、 识 知 彩 色 生 学 养 培 习 练 计 设 。 平 水 美 审 化 文 高 提 , 赏 欣 和 绍 介 的 装 服 对 过 通 管理机构,协调产业发展,以信息安全为主要抓手•,重点发展信息基础设施所需 的集成电路芯片•,维护网络和信息安全•。这种组织模式的创新•,希望能为中国半 导体开创出一条有效的发展路径。 其次是投资模式创新。半导体的 Foundry 厂与液晶面板厂、LED 芯片厂 一样, 都需要大量资金的投入, 但是这种赢利周期极长的项目仅靠社会资本投入, 缺乏吸引力且风险过大, 而过去二三十年间的经验又表明纯粹的政府投入做不好 半导体产业。对此,华山资本董事总经理陈大同表示,我国将探索资金的管理模 式,筹集和建立集成电路专项发展资金,中央政府投入一部分,地方资金投入一 部分, 然后用政府资金撬动社会资金,将成为未来一段时间中国对于具有战略价 值的大型半导体项目进行资金扶持的主要思路•。 最后,企业的运营也应当创新•。目前•,国内通信••、消费电子等传统半导 体市场面临新需求,而物联网、智能电网••、汽车电子、医疗电子等热点市场也不 断升温,带来了相应的机遇及挑战•。对此,小米科技董事长雷军在总结小米手机 成功的秘诀时认为, 成功的关键在于商业模式创新,独特的软件+硬件+互联网服 务的发展模式成就了小米手机。 他同时呼吁中国集成电路企业在互联网时代应该 敢于用互联网的思维进行模式创新,以互联网的免费模式(以 BOM 价销售)经营 IC 市场,也许可以获得更大的商业成功•。 x8GS1KY jJpZXyEz.DH:!ION5qP6-A7TM otinalBcusfhgrdvbw,LkCW em 情 热 造 创 现 求 追 发 激 演 3表 力 能 用 运 合 综 础 基 案 图 、 识 知 彩 色 生 学 养 培 习 练 计 设 •。 平 水 美 审 化 文 高 提 , 赏 欣 和 绍 介 的 装 服 对 过 通

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