盤點(diǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)十大重要?jiǎng)?chuàng)新

在昨日舉辦的國(guó)際半導(dǎo)體展(SEMICON TAIWAN)中，已經(jīng)退休的臺(tái)積電創(chuàng)辦人張忠謀出席了相關(guān)論壇并發(fā)表了演講，張忠謀以“從半導(dǎo)體的重要?jiǎng)?chuàng)新看半導(dǎo)體公司的盛衰”為主題，回顧了整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷程，并例舉了自己心中十大半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)重要?jiǎng)?chuàng)新，并表示這些創(chuàng)新是推動(dòng)半導(dǎo)體市場(chǎng)成長(zhǎng)的主要?jiǎng)幽埽?/span>

同時(shí)，張忠謀還對(duì)未來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行了預(yù)估，表示未來(lái)10到20年，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)幅度會(huì)比全球GDP成長(zhǎng)率高出200到300基點(diǎn)，整體半導(dǎo)體業(yè)產(chǎn)值年成長(zhǎng)率將達(dá)到5%-6%，將比全球GDP高出2%-3%；雖然各項(xiàng)技術(shù)仍會(huì)面臨盛衰，但未來(lái)創(chuàng)新的空間還是很大。

這十大創(chuàng)新主要包括電晶體、積體電路、存儲(chǔ)器、封測(cè)代工及晶圓代工等技術(shù)，對(duì)此，芯方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單的盤點(diǎn)和回顧，共同來(lái)瞻仰一下十大推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重要?jiǎng)?chuàng)新！

十大創(chuàng)新第一位：貝爾實(shí)驗(yàn)室電晶體

電晶體被認(rèn)為是現(xiàn)代歷史中最偉大的發(fā)明之一，在重要性方面可以與印刷術(shù)，汽車和電話等的發(fā)明相提并論。電晶體實(shí)際上是所有現(xiàn)代電器的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)（active）元件。電晶體在當(dāng)今社會(huì)的重要性主要是因?yàn)殡娋w可以使用高度自動(dòng)化的過程進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的能力，因而可以不可思議地達(dá)到極低的單位成本。

第一個(gè)電晶體是1947年發(fā)明的，出自貝爾實(shí)驗(yàn)室。發(fā)明者有三位，分別是約翰·巴定、威廉·肖克萊和華特·布萊登。

十大創(chuàng)新第二位：矽電晶體

電晶體（transistor）是一種固態(tài)半導(dǎo)體元件，可以用于放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制和許多其他功能。電晶體作為一種可變開關(guān)，基于輸入的電壓，控制流出的電流，因此電晶體可做為電流的開關(guān)，和一般機(jī)械開關(guān)（如Relay、switch）不同處在于電晶體是利用電訊號(hào)來(lái)控制，而且開關(guān)速度可以非常之快，在實(shí)驗(yàn)室中的切換速度可達(dá)100GHz以上。

1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了電晶體之后，1954年德州儀器發(fā)明了矽電晶體，這讓當(dāng)時(shí)掌握創(chuàng)新技術(shù)的德州儀器成為了市場(chǎng)贏家！

十大創(chuàng)新第三位：集成電路

集成電路，英文為Integrated Circuit，縮寫為IC；顧名思義，就是把一定數(shù)量的常用電子元件，如電阻、電容、晶體管等，以及這些元件之間的連線，通過半導(dǎo)體工藝集成在一起的具有特定功能的電路。

為什么會(huì)產(chǎn)生集成電路？我們看一下1942年在美國(guó)誕生的世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，它是一個(gè)占地150平方米、重達(dá)30噸的龐然大物，里面的電路使用了17468只電子管、7200只電阻、10000只電容、50萬(wàn)條線，耗電量150千瓦。

顯然，占用面積大、無(wú)法移動(dòng)是它最直觀和突出的問題；如果能把這些電子元件和連線集成在一小塊載體上該有多好！有很多人思考過這個(gè)問題，也提出過各種想法。

典型的如英國(guó)雷達(dá)研究所的科學(xué)家達(dá)默，他在1952年的一次會(huì)議上提出：可以把電子線路中的分立元器件，集中制作在一塊半導(dǎo)體晶片上，一小塊晶片就是一個(gè)完整電路，這樣一來(lái)，電子線路的體積就可大大縮小，可靠性大幅提高。這就是初期集成電路的構(gòu)想。

晶體管的發(fā)明使這種想法成為了可能，1947年在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出來(lái)了第一個(gè)晶體管，而在此之前要實(shí)現(xiàn)電流放大功能只能依靠體積大、耗電量大、結(jié)構(gòu)脆弱的電子管。晶體管具有電子管的主要功能，并且克服了電子管的上述缺點(diǎn)，因此在晶體管發(fā)明后，很快就出現(xiàn)了基于半導(dǎo)體的集成電路的構(gòu)想，也就很快發(fā)明出來(lái)了集成電路。

1958年：仙童公司羅伯特·諾伊斯（RobertNoyce）與德儀公司杰克·基爾比（Jack Kilby）間隔數(shù)月分別發(fā)明了硅集成電路和鍺集成電路，開創(chuàng)了世界微電子學(xué)的歷史。

十大創(chuàng)新第四位：摩爾定律

摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來(lái)的。其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個(gè)月翻一倍以上。

這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。

盡管這種趨勢(shì)已經(jīng)持續(xù)了超過半個(gè)世紀(jì)，摩爾定律仍應(yīng)該被認(rèn)為是觀測(cè)或推測(cè)，而不是一個(gè)物理或自然法。預(yù)計(jì)定律將持續(xù)到至少2015年或2020年。然而，2010年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖的更新增長(zhǎng)已經(jīng)放緩在2013年年底，之后的時(shí)間里晶體管數(shù)量密度預(yù)計(jì)只會(huì)每三年翻一番。

“摩爾定律”對(duì)整個(gè)世界意義深遠(yuǎn)。在回顧40多年來(lái)半導(dǎo)體芯片業(yè)的進(jìn)展并展望其未來(lái)時(shí)，信息技術(shù)專家們認(rèn)為，在以后“摩爾定律”可能還會(huì)適用。但隨著晶體管電路逐漸接近性能極限，這一定律終將走到盡頭。40多年中，半導(dǎo)體芯片的集成化趨勢(shì)一如摩爾的預(yù)測(cè)，推動(dòng)了整個(gè)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而給千家萬(wàn)戶的生活帶來(lái)變化。

十大創(chuàng)新第五位：MOS技術(shù)

傳統(tǒng)的電晶體我們稱之為雙極電晶體（bipolar transistor），由於此種電晶體生產(chǎn)程序上的先天限制，使得我們很難在一個(gè)芯片上制出元件密度很高的集成電路出來(lái)，因此目前所謂的LSI（Large Scale Integration大型積體）都是用MOS方法制造的。

所謂MOS乃是Metal OxideSemiconductor諸英文字的縮寫，利用此種技術(shù)可以把集成電路做得更小且其包含的元件更多。而且在制造的程序上MOS的制作也要比制造傳統(tǒng)電晶體簡(jiǎn)單。

我們都知道一個(gè)產(chǎn)品要能在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)，不外乎品質(zhì)優(yōu)異，價(jià)格低廉， MOS的制作程序簡(jiǎn)單故成本較低。體積和重量的減少也是使集成電路受到普遍重視與喜好的原因之一，當(dāng)然這些原因較諸成本的降低就顯得無(wú)足輕重了。MOS技術(shù)的出現(xiàn)也讓摩爾定律得以延續(xù)！

十大創(chuàng)新第六位：存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器，是半導(dǎo)體行業(yè)三大支柱之一。存儲(chǔ)器就類似于鋼鐵之于現(xiàn)代工業(yè)，是名副其實(shí)的電子行業(yè)“原材料”。如果再將存儲(chǔ)器細(xì)分，又可分為DRAM、NAND Flash和Nor Flash三種，其中DRAM主要用來(lái)做PC機(jī)內(nèi)存（如DDR）和手機(jī)內(nèi)存（如LPDDR），兩者各占三成。

DRAM領(lǐng)域經(jīng)過幾十年的周期循環(huán)，玩家從80年代的40~50家，逐漸減少到了08年金融危機(jī)之前的五家，分別是：三星（韓）、SK海力士（韓）、奇夢(mèng)達(dá)（德）、鎂光（美）和爾必達(dá)（日），五家公司基本控制了全球DRAM供給，終端產(chǎn)品廠商如金士頓，幾乎沒有DRAM生產(chǎn)能力，都要向它們采購(gòu)原材料。經(jīng)過幾次“反周期定律”和洗牌，DRAM領(lǐng)域最終只剩三個(gè)玩家：三星、海力士和鎂光。

近兩年來(lái)存儲(chǔ)行業(yè)的強(qiáng)勢(shì)價(jià)格走勢(shì)，已經(jīng)極大地影響了國(guó)內(nèi)智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)乃至整個(gè) IC 芯片行業(yè)的發(fā)展。現(xiàn)在不論是資本方、產(chǎn)業(yè)鏈還是終端的消費(fèi)者，對(duì)內(nèi)存相關(guān)的消息都異常地敏感和警惕。

但在政策和企業(yè)的大力發(fā)展下，今年下半年，國(guó)內(nèi)三大存儲(chǔ)廠商長(zhǎng)江存儲(chǔ)、福建晉華、合肥長(zhǎng)鑫將相繼進(jìn)入試產(chǎn)階段，中國(guó)存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵階段。國(guó)產(chǎn)內(nèi)存雖然暫時(shí)難以撼動(dòng)三星、美光、SK海力士等國(guó)際存儲(chǔ)巨頭的地位，但或?qū)?duì)全球存儲(chǔ)市場(chǎng)價(jià)格走勢(shì)產(chǎn)生影響。

十大創(chuàng)新第七位：封裝與測(cè)試

半導(dǎo)體生產(chǎn)流程由晶圓制造、晶圓測(cè)試、芯片封裝和封裝后測(cè)試組成。半導(dǎo)體封裝測(cè)試是指將通過測(cè)試的晶圓按照產(chǎn)品型號(hào)及功能需求加工得到獨(dú)立芯片的過程。

其中，封裝是保護(hù)芯片免受物理、化學(xué)等環(huán)境因素造成的損傷，增強(qiáng)芯片的散熱性能，以及將芯片的I/O端口聯(lián)接到部件級(jí)(系統(tǒng)級(jí))的印制電路板(PCB)、玻璃基板等，以實(shí)現(xiàn)電氣連接，確保電路正常工作。

測(cè)試主要是對(duì)芯片、電路以及老化后的電路產(chǎn)品的功能、性能測(cè)試等，外觀檢測(cè)也歸屬于其中。其目的是將有結(jié)構(gòu)缺陷以及功能、性能不符合要求的產(chǎn)品篩選出來(lái)。

在集成電路產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)和技術(shù)的推動(dòng)下，集成電路封裝技術(shù)不斷發(fā)展，大體經(jīng)歷以下三個(gè)技術(shù)階段的發(fā)展過程：

第一階段是1980年之前以為代表的通孔插裝(THD)時(shí)代。這個(gè)階段技術(shù)特點(diǎn)是插孔安裝到PCB上，主要技術(shù)代表包括TO(三極管)和DIP(雙列直插封裝)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)實(shí)、可靠、散熱好、功耗大，缺點(diǎn)是功能較少，封裝密度及引腳數(shù)難以提高，難以滿足高效自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。

第二階段是1980年代開始的表面貼裝(SMT)時(shí)代，該階段技術(shù)的主要特點(diǎn)是引線代替針腳，由于引線為翼形或丁形，從兩邊或四邊引出，較THD插裝形式可大大提高引腳數(shù)和組裝密度。最早出現(xiàn)的表面貼裝類型以兩邊或四邊引線封裝為主，主要技術(shù)代表包括SOT(小外形晶體管)、SOP(小外形封裝)、QFP(翼型四方扁平封裝)等。采用該類技術(shù)封裝后的電路產(chǎn)品輕、薄、小，提升了電路性能。性價(jià)比高，是當(dāng)前市場(chǎng)的主流封裝類型。

在電子產(chǎn)品趨小型化、多功能化需求驅(qū)動(dòng)下，20世紀(jì)末期開始出現(xiàn)以焊球代替引線、按面積陣列形式分布的表面貼裝技術(shù)。這種封裝的I/O是以置球技術(shù)以及其它工藝把金屬焊球(凸點(diǎn))矩陣式的分布在基板底部，以實(shí)現(xiàn)芯片與PCB板等的外部連接。

該階段主要的封裝形式包括球狀柵格陣列封裝(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP)、晶圓級(jí)芯片封裝(WLP)、多芯片封裝(MCP)等。BGA等技術(shù)的成功開發(fā)，解決了多功能、高集成度、高速低功耗、多引線集成電路電路芯片的封裝問題。

第三階段是21世紀(jì)初開始的高密度封裝時(shí)代。隨著電子產(chǎn)品進(jìn)一步向小型化和多功能化發(fā)展，依靠減小特征尺寸來(lái)不斷提高集成度的方式因?yàn)樘卣鞒叽缭絹?lái)越小而逐漸接近極限，以3D堆疊、TSV(硅穿孔)為代表的三維封裝技術(shù)成為繼續(xù)延續(xù)摩爾定律的最佳選擇。

十大創(chuàng)新第八位：微處理器

中央處理器是指計(jì)算機(jī)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對(duì)處理過程進(jìn)行控制的部件，伴隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，芯片集成密度越來(lái)越高，CPU可以集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上，這種具有中央處理器功能的大規(guī)模集成電路器件，被統(tǒng)稱為“微處理器”。需要注意的是：微處理器本身并不等于微型計(jì)算機(jī)，僅僅是微型計(jì)算機(jī)的中央處理器。

微處理器從最初發(fā)展至今已經(jīng)有四十多年的歷史了，這期間，按照其處理信息的字長(zhǎng)，微處理器可以分為：4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及64位微處理器，可以說(shuō)個(gè)人電腦的發(fā)展是隨著CPU的發(fā)展而前進(jìn)的。

由于微處理器可用來(lái)完成很多以前需要用較大設(shè)備完成的計(jì)算任務(wù)，價(jià)格又便宜，于是各半導(dǎo)體公司開始競(jìng)相生產(chǎn)微處理器芯片。其中以英特爾公司的最為出名！

如今，微處理器已經(jīng)無(wú)處不在，無(wú)論是錄像機(jī)、智能洗衣機(jī)、移動(dòng)電話等家電產(chǎn)品，還是汽車引擎控制，以及數(shù)控機(jī)床、導(dǎo)彈精確制導(dǎo)等都要嵌入各類不同的微處理器。微處理器不僅是微型計(jì)算機(jī)的核心部件，也是各種數(shù)字化智能設(shè)備的關(guān)鍵部件。國(guó)際上的超高速巨型計(jì)算機(jī)、大型計(jì)算機(jī)等高端計(jì)算系統(tǒng)也都采用大量的通用高性能微處理器建造。

十大創(chuàng)新第九位：VLSI與矽智財(cái)（IP）

VLSI是超大規(guī)模集成電路(Very LargeScale Integration)的簡(jiǎn)稱，指幾毫米見方的硅片上集成上萬(wàn)至百萬(wàn)晶體管、線寬在1微米以下的集成電路。由于晶體管與連線一次完成，故制作幾個(gè)至上百萬(wàn)晶體管的工時(shí)和費(fèi)用是等同的。大量生產(chǎn)時(shí)，硬件費(fèi)用幾乎可不計(jì)，而取決于設(shè)計(jì)費(fèi)用。

超大規(guī)模集成電路是70年代后期研制成功的，主要用于制造存儲(chǔ)器和微處理機(jī)。超大規(guī)模集成電路研制成功，是微電子技術(shù)的一次飛躍，大大推動(dòng)了電子技術(shù)的進(jìn)步，從而帶動(dòng)了軍事技術(shù)和民用技術(shù)的發(fā)展。超大規(guī)模集成電路已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。也是世界主要工業(yè)國(guó)家，特別是美國(guó)和日本競(jìng)爭(zhēng)最激烈的一個(gè)領(lǐng)域。

矽智財(cái)是指集成電路設(shè)計(jì)所涉及的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在現(xiàn)今的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，被用來(lái)指一種滿足特定規(guī)格、事先定義、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、可重復(fù)使用的功能模塊；其在芯片設(shè)計(jì)中是專指具備特定功能的集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，且由設(shè)計(jì)人員開發(fā)出的一種模塊化功能元件，可與其他元件相配合，組成具備更復(fù)雜功能的IC。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界里大致都有著相當(dāng)程度的認(rèn)知，業(yè)界也常稱為IP和SIP（Semiconductor IP或 Silicon IP的縮寫）。

十大創(chuàng)新第十位：晶圓代工

晶圓代工或晶圓專工(Foundry)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一種營(yíng)運(yùn)模式，專門從事半導(dǎo)體晶圓制造生產(chǎn)，接受其他IC設(shè)計(jì)公司委托制造，而不自己從事設(shè)計(jì)的公司。

有些擁有晶圓廠的半導(dǎo)體公司，如英特爾(Intel)、AMD等，會(huì)因產(chǎn)能或成本等因素，也會(huì)將部份產(chǎn)品委由晶圓代工公司生產(chǎn)制造。臺(tái)積電、聯(lián)電為世界排名第一與第二的晶圓代工公司。反之，專門從事IC電路設(shè)計(jì)而不從事生產(chǎn)且無(wú)半導(dǎo)體廠房的公司稱為無(wú)廠半導(dǎo)體公司(Fabless)。

無(wú)廠半導(dǎo)體公司依賴晶圓代工公司生產(chǎn)產(chǎn)品，因此產(chǎn)能、技術(shù)都受限于晶圓代工公司，但優(yōu)點(diǎn)是不必自己興建、營(yíng)運(yùn)晶圓廠。

隨著芯片制成微縮、晶圓尺寸成長(zhǎng)，建設(shè)一間晶圓廠動(dòng)輒百億美金的經(jīng)費(fèi)，往往不是一般中小型公司所能夠負(fù)擔(dān)得起;而透過此模式與晶圓代工廠合作，IC設(shè)計(jì)公司就不必負(fù)擔(dān)高階制程高額的研發(fā)與興建費(fèi)用，晶圓代工廠能夠?qū)Ｗ⒂谥圃?，開出的產(chǎn)能也可售予多個(gè)用戶，將市場(chǎng)波動(dòng)、產(chǎn)能供需失衡的風(fēng)險(xiǎn)減到最小。

總結(jié)

以上十大半創(chuàng)新對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要性不言而喻，同時(shí)對(duì)人類生活質(zhì)量的改變有極為突出的貢獻(xiàn)。

張忠謀表示，1985年之后雖然沒有重大的創(chuàng)新，但仍有許多創(chuàng)新處于現(xiàn)在進(jìn)行式，包括2.5D/3D封裝、EUV微影技術(shù)出現(xiàn)、人工智慧及機(jī)器學(xué)習(xí)、碳導(dǎo)管及石墨烯等新材料。

整體來(lái)看，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)會(huì)持續(xù)成長(zhǎng)，預(yù)期半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將以超過全球GDP成長(zhǎng)的速度持續(xù)增長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)將需要更多創(chuàng)新技術(shù)。