2021年05月17日 | 后摩尔时代，芯片业将迎来哪些颠覆性技术？

2021-05-17 来源：中国证券报

业界认为，再过10年，芯片产业会进入后摩尔时代。当晶体管收缩不再可行时，创新不会停止，新材料、异构整合等会成为提高芯片性能的突破方向，如3D封装、第三代半导体、碳纳米管芯片、量子芯片等。

摩尔定律仍在发挥余热

半导体工业诞生于上世纪70年代。1965年，时任仙童半导体的工程师摩尔预言了集成电路发展的趋势，后经修正，就是大名鼎鼎的摩尔定律，即集成电路上可容纳的晶体管数量每隔18-24个月就增加一倍，性能也提升一倍。换言之，为了达到摩尔定律，在二维层面，晶体管的长宽需各缩小到原来的70%，才能让芯片面积缩小近一半。

摩尔定律下CPU、存储器、逻辑芯片的尺寸越来越小

来源：电气与电子工程师协会

50多年来，半导体产业大体沿着摩尔定律在发展，但速度已有所放缓，且已逼近硅材料的物理极限。以台积电为例，2018年4月，其实现了7纳米工艺量产，2020年三季度实现5纳米工艺量产，预计3纳米工艺将在明年下半年实现量产。有报道称，台积电2纳米工艺预计在2024年量产，1纳米工艺研发亦在推进。

来源：台积电

此外，各大厂商对工艺节点的命名也出现了分歧，不再是简单的0.7倍微缩法则。近期，IBM发布了2纳米工艺，但业界有不同声音，经过模拟测量，认为该工艺更接近3纳米。又如英特尔的10纳米芯片与台积电的7纳米芯片具有大致相等的晶体管密度。当前业界正在讨论哪种新数字或数字组合可以更好地反映进度。

值得一提的是，荷兰ASML公司的EUV光刻机可在大批量生产中提供最高分辨率的光刻技术，从而推动了摩尔定律的发展。ASML正在研制更为先进的EUV光刻机，如High-NA EUV（0.55NA），预计在明年交付，届时1.5纳米及更高工艺逻辑芯片生产将成为可能。ASML认为，未来10年，会继续在成像和覆膜性能方面出现重大创新。

来源：Semiwiki

1纳米被看作摩尔定律在工艺上的极限，业内普遍预计，摩尔定律在未来10年仍将发挥余热。

颠覆性技术会有哪些？

后摩尔时代，技术创新会变得更具挑战性。ASML认为，下一代芯片设计将包括更多奇特的材料，新的封装技术和更复杂的3D设计。半导体行业将把来自物理、化学、生物和计算机科学各个领域的工程师联系起来。这些设计将有助于生成现在甚至无法想象的消费产品。它们还将推动即将出现的下一波创新浪潮。

据了解，28纳米工艺以下各节点各厂商仍称为0.7X微缩，但闸级线宽却是约0.9X微缩，之所以摩尔定律继续有效，主要源于技术创新。如面积微缩法则，存储器芯片从2D进阶到3D。

英特尔展示其3D NAND技术

来源：英特尔

目前，采用异构堆栈的3D封装技术越来越受产业重视，英特尔、台积电、三星等一线厂商积极布局，长电科技、通富微电、华天科技这三大国内封测厂亦有技术平台。

台积电展示其3D封装技术之一

来源：台积电

随着集成电路制造工艺技术的不断发展，对端口密度、信号延迟及封装体积等提出了越来越高的要求，促进了先进封装如凸块、倒装、硅穿孔、2.5D、3D等新型封装工艺及封装形式的出现和发展。

长电科技认为，3D集成技术正在三个领域向前推进：封装级集成、晶圆级集成和硅级集成。各种类型的堆叠集成技术被用于将多个具有不同功能的芯片集中到越来越小的尺寸中。

新材料方面，第三代半导体被寄予厚望。目前，第三代半导体材料中比较成熟的有碳化硅、氮化镓等。第三代半导体材料具有高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射等特性，可以实现更好电子浓度和运动控制，特别是在苛刻条件下备受青睐，在5G、新能源汽车、消费电子、新一代显示、航空航天等领域有重要应用。

摩尔定律

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