“虛擬”摩爾定律時(shí)代來(lái)臨？

***半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（TSIA）理事長(zhǎng)盧超群（Nicky Lu）正期待「虛擬」摩爾定律（“virtual” Moore’s Law）時(shí)代的來(lái)臨，因?yàn)樗鼘⒂袡C(jī)會(huì)為芯片產(chǎn)業(yè)再次迎來(lái)成長(zhǎng)和盈利。

「半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)即將出現(xiàn)另一個(gè)30年的成長(zhǎng)期。」盧超群在接受《EE Times》采訪(fǎng)時(shí)預(yù)測(cè)，「我們即將見(jiàn)證『實(shí)質(zhì)』的1nm制程技術(shù)出現(xiàn)。屆時(shí)摩爾定律將以『虛擬的』摩爾定律形式存在?！?/p>

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)需要再次起飛。管理咨詢(xún)機(jī)構(gòu)麥肯錫（McKinsey）在2015年的一份報(bào)告中指出，從1995年到2008年，這個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)了7%的復(fù)合年成長(zhǎng)率（CAGR），為股東帶來(lái)較整個(gè)股票市場(chǎng)更高三倍的投資報(bào)酬。現(xiàn)在，情況明顯有了很大的變化。

盡管有些半導(dǎo)體公司持續(xù)成長(zhǎng)以及不斷并吞較小規(guī)模的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但這個(gè)領(lǐng)域的整體成長(zhǎng)和營(yíng)收卻一直在下滑。

盧超群認(rèn)為，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將有機(jī)會(huì)擺脫年?duì)I收約4，000億美元的停滯期，并在1nm時(shí)實(shí)現(xiàn)1兆美元的營(yíng)收前景。他在日前于日本富山市舉行的「IEEE亞洲固態(tài)電路會(huì)議」上發(fā)表《新芯片途徑》（A New Silicon Way）一文，描繪了一個(gè)突破芯片傳統(tǒng)線(xiàn)性微縮限制的新時(shí)代。

線(xiàn)性微縮明顯已經(jīng)達(dá)到實(shí)體極限了。盧超群指出，「人們經(jīng)常說(shuō)致力于10nm制程，但你其實(shí)找不到任何線(xiàn)寬達(dá)到10nm的這個(gè)等級(jí)?！?/p>

擺脫2D平面

這正是技術(shù)發(fā)展轉(zhuǎn)而采取非線(xiàn)性路線(xiàn)的原因。2011年，英特爾（Intel）發(fā)布了三閘極（Tri-gate）技術(shù)，率先從平面開(kāi)發(fā)的芯片上晶體管轉(zhuǎn)向三維（3D）結(jié)構(gòu)。采用3D結(jié)構(gòu)后，即使是微縮0.85倍也能讓晶體管密度達(dá)到像是以2D平面方式實(shí)現(xiàn)0.5倍微縮的效果，盧超群指出。

其它公司也紛紛追隨這一趨勢(shì)。東芝（Toshiba）建構(gòu)了48個(gè)層3D NAND，這款內(nèi)存已經(jīng)用在蘋(píng)果（Apple）的iPhone 7智能型手機(jī)上。三星（Samsung）更進(jìn)一步打造64層閃存組件。盡管其技術(shù)水準(zhǔn)大約只有32nm，但實(shí)際上等同于13nm的效果，盧超群表示。

「我們現(xiàn)在正處于采用垂直晶體管的‘Silicon 2.0’時(shí)代，微縮參數(shù)大約在0.8至0.85之間?！顾赋?，「而到了‘Silicon 3.0’就會(huì)像是一種3D的形式。我們將見(jiàn)證越來(lái)越多的業(yè)者朝此方向發(fā)展。」

正如盧超群在發(fā)表的論文中所描述的，他預(yù)計(jì)在‘Silicon 4.0’將出現(xiàn)飛躍式進(jìn)展。在當(dāng)前3.0基礎(chǔ)上的技術(shù)進(jìn)步催生了許多新的應(yīng)用，如擴(kuò)增實(shí)境（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和機(jī)器智慧，他表示。下一個(gè)階段則是他所謂的「異質(zhì)整合」（heterogeneous integration），或透過(guò)像整合式扇出（InFO）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)硅晶和非硅晶材料的整合。

展望InFO和更先進(jìn)技術(shù)

InFO是臺(tái)積電（TSMC）公司開(kāi)發(fā)的一種封裝技術(shù)，由于將接合焊盤(pán)放在硅晶邊緣，因而不需要再與基板互連。InFO可以使封裝厚度減小20%、速度提高20%，同時(shí)提高10%的熱性能。

英飛凌科技（Infineon Technologies）在2008年將這種技術(shù)發(fā)展成為嵌入式晶圓級(jí)球門(mén)陣列（eWLB），用于削減成本和封裝厚度，同時(shí)提升組件的整合度。然而，在臺(tái)積電推出商用化InFO之前，良率問(wèn)題一直阻礙著這種新技術(shù)的導(dǎo)入。

InFO技術(shù)（來(lái)源：臺(tái)積電）

「這種新的InFO結(jié)構(gòu)將引領(lǐng)異質(zhì)整合進(jìn)入Silicon 4.0時(shí)代。」盧超群表示，「另一項(xiàng)創(chuàng)新是直通互連通孔（TIV）技術(shù)，它就像是利用一條管柱使芯片與外部連接。這樣就能同時(shí)為芯片內(nèi)部與外部實(shí)現(xiàn)水平和垂直互連能力。這是異質(zhì)整合持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。過(guò)去由于沒(méi)有InFO技術(shù)因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)TIV?！?/p>

如今，藉由InFO技術(shù)，芯片可以直接連接諸如透鏡、傳感器或致動(dòng)器等目前嵌入于系統(tǒng)中但仍未微型化的組件，盧超群指出。

「這就是使用InFO實(shí)現(xiàn)的芯片與非芯片的異質(zhì)整合?！顾硎?，「目前這些組件全部都被安裝在印刷電路板（PCB）上，需要消耗很多功率?，F(xiàn)在我們離優(yōu)化的功耗還有5個(gè)數(shù)量級(jí)?！?/p>

在盧超群看來(lái)，這正是代工廠、芯片設(shè)計(jì)者和系統(tǒng)公司得以展開(kāi)合作的新機(jī)會(huì)。芯片領(lǐng)域目前的整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模約有3，000億美元，但消費(fèi)性電子則是一個(gè)擁有高達(dá)1.6兆美元的產(chǎn)業(yè)，他指出。

系統(tǒng)制造商需要異質(zhì)整合來(lái)打造體積更小、功耗更低的組件，盧超群表示。

「未來(lái)將會(huì)十分順利地過(guò)渡到這些新技術(shù)，畢竟我們距離摩爾定律的終結(jié)還有兩代之遙?！贡R超群表示，「三閘極、3D NAND和InFO等技術(shù)的進(jìn)展如今都非常順利。未來(lái)，芯片將持續(xù)微縮到5nm，而能夠?qū)崿F(xiàn)等效于1nm平面架構(gòu)的性能?！?/p>