半导体业在摩尔定律“终结” 下会怎么样？

    业界熟知的摩尔定律，(Moore Law)在尺寸继续缩小方面可能己经走到终结，导致业界议论纷纷。然而世界未日不可能到来，因为实际上摩尔定律已经向三个分支发展，包括如下;

 

·    More Moore;延续摩尔

 

    继续走尺寸缩小，目前己达10纳米;

 

    ·More than Moore;扩充摩尔

 

    利用SiP，或者SoC方法将众多不同制造工艺的芯片集成在一个封装内,或称异质集成，包括digital，memory，RF，Analog，MEMS，Sensor。

 

    ·Beyond Moore;超越摩尔

 

    将采用新的材料及新晶体管架构，如III-V,纳米线，纳米管，硅光电子等。

 

    在现阶段，至多说定律的三个分支中，”延续摩尔”的部分，即走尺寸缩小的部分遇到了困难。目前逻辑制程刚进入10纳米，预期明年可实现量产。而下一代节点的7纳米制程，要到2018年，其中很大的一个变数，可能采用EUV光刻。业界尚在探索的是5纳米制程，估计要采用新的沟道材料，包括III-V族，或者纳米线，或者环栅结构。但是尺寸继续缩小下去的另一问题，财务平衡矛盾会显现。因为业界预测一个7纳米制程的SoC产品设计，费用可高达500M美元以上，相比28纳米的设计费用要高出9倍。如此高的设计费用，能有什么产品，有几千万块以上数量的市场需求支持它，仍是个未知数。表明定律从技术上可行，而从财务平衡的角度，大部分fabless可能已失去对于7纳米产品的吸引力。由此表明定律的尺寸缩小部分可能已成摆设，缺乏实际的使用价值。

 

    然而半导体业界似乎没有丝毫的担忧，因为它的第二分支,”超越摩尔”部分正刚启步，多种异质工艺的集成,而且相信未来的前景更加诱人。正如半导体代工教父张忠谋在2016年初曾判断，”物联网时代智能芯片的趋势之一，是将不同产品一起封装的先进封装技术，让一颗芯片能整合更多功能，更节省空间，起到”绿色革命”的作用”。

 

    至于第三个分支”超越摩尔”，各种新的材料及晶体管架构等，它们的前景更为广阔。

 

    因此对于摩尔定律，要用新的视界去观察它，认识它。现阶段至多可以认为”定律终结，但半导体业的荣景仍在”。正如finFET发明者胡正明教授言，看不到其它技术能够在未来50年取代半导体来达成这个任务。

 

    一直以来摩尔定律如一盏明灯指引半导体业向前进步，现在尺寸缩小可能越来越困难，半导体业会怎么样?实际上对于定律要有一个辨证的看法：1)，定律仅是一种猜想，它不是真正的定律。仅是后来经过大量的实践，如英特尔的处理器进步，基本上得到证实：2)，不能否认在相当长一段时间以来尺寸缩小是推动产业进步的最主要动力之一，因此业界几乎把晶体管的尺寸缩小等同于定律。

 

    事实上ITRS从2014年的报告中已经开始改变它的预测思路，认为半导体业中的尺寸缩小是个物理极限，早晚将至,但是器件小型化可能持续下去。ITRS的结论，晶体管器件的栅长到2020年左右已不再沿斜率下降，而变得平坦。

 

     在最近的IEEE年会论文集中已有文章表示到2021年晶体管尺寸将停止继续缩小。芯片制造商正在寻找其它的方法来增加晶体管的密度，把晶体管的结构由平面型转向垂直型，例如在存储器中已出现堆叠层存储器，目前已达48层及64层的3D NAND闪存。

 

    IBM的研发对于全球半导体产业的贡献是十分巨大的，它总是走在前列。它申请了多项专利，自己不用， 而售给别人，但是到2009年时它率先声言要放弃晶圆制造，原因是它的10亿美元销售额不可能支持得起花50亿美元建造一个先进的Fab。

 

    ITRS的主席Paolo Gargini 非常清楚地告诉芯片的购买者及设计者，那些公司包括如苹果，Google，Qualcomm才是下一代芯片要求的推动者，而不是IDM厂商，尽管我们都是跟随它一起成长。

 

    在2015 IEEE ISSCC囯际固态电路会上intel已经阐述它的10nm工艺制程。英特尔认为10nm可能是硅尺寸缩小的终点，未来要进入7nm时需要采用III-V族，或纳米线等。

 

    成熟制程节点的潜力尚在

 

    据英特尔数据，它的产品的平均寿命周期是15年，而制程节点的平均寿命约为12年，所以至此它的65纳米制程技术仍在使用。

 

    从2012年VLSI公司的统计，全球65nm及以上的产品占总IC产出的43%，及产能的48%。更为典型，每年新设计产品的数量近13，000个，其中采用65nm及以上占近85%。十分清楚那些成熟制程节点不会轻易退出历史午台。

 

    近期中芯国际等8英寸硅片市场红火，产能利用率节节上升，及全球8英寸翻新设备的市场紧缺，也充分反映成熟制程节点的市场需求仍然很旺盛。

 

    半导体的未来

 

    除了目前使用的硅CMOS工艺，新的技术也会受到瞩目。Intel已经宣布将在7纳米放弃硅。锑化铟(InSb)和铟砷化镓(InGaAs)技术都已经证实了它们的可行性，并且两者都比硅的电子迁移率高、耗能少。碳，包括纳米管和石墨烯目前都处在实验室阶段，可能性能会更好。

 

    当然，新的路线图并没有完全放弃原本的几何缩减方式。除了三栅极晶体管，也许到2020年左右，会出现采用环栅晶体管结构和纳米线。到21世纪20年代中期可能会有整体三维芯片，一块硅上多层组件就构成了一个单芯片。

 

    ITRS报告预测到2019年时finFET工艺也将出局，需要用环栅晶体管(“gate-all-around transistor)结构。下一步晶体管将用纳米线以及变成垂直型器件。到2024年时半导体器件将面临热的限制,因此要迎接微流体沟道(microfluidic channels)，可以增加晶体管散热的有效表面积。

 

    推动半导体业进的进步，之前由PC，互联网，目前还在发力的是移动时代，估计未来大的应用市场有汽车电子，智能嵌入式时代，以及物联网时代。

 

    但就目前来说，摩尔定律的打破已经成为新的常态。那个以摩尔定律为向导，遵循规则亦步亦趋的时代，到头了。