在2019海峽兩岸集成電路產業合作發展論壇上,在談到科技對社會的影響時,臺積電中國區業務發展副總經理陳平說:“每一個時期的重大發明都會改變我們的生活,19世紀的鋼鐵,20世紀的汽車飛機等等,在推動發展力的同時也讓社會蓬勃發展。而著重要說的就是20世紀中期半導體晶體管的發明,這一項發明讓社會產生了巨大的變化。基于半導體建立的IT技術,讓世界變成一個“村”,人類從此進入互聯時代。”
一、發展動力強勁的半導體產業
半導體的出現徹底改變了我們的生活,集成電路發展到現在不過60年,最早出現的時候,產品規模全球每年只有幾千到幾萬臺;7、80年代開始,電子器件普及,產品規模一年達到數億臺;而到了最近幾年,手機等消費電子開始流行,每年產品規模可以達到幾十億。人類的生活在不斷發生改變,越來越大的需求在不斷推動新技術的產生,移動終端、高速計算平臺、IOT以及自動駕駛等等,帶來無數商機。
半導體產業的發展動力很強,原因無他,源于人類對美好生活的向往,陳平說道。在過去的十年里,智能機、互聯網的興起推動社會產生了巨大變革,因此社會對半導體技術的期待與日俱增。所謂“由儉入奢易,由奢入儉難”,人類已經沒有辦法去適應落后的設備,如今手機即將進入5G時代,AI也在悄悄改變人類的生活,所有這些最前沿高端的技術,最底層的機制都是芯片。
5G時代,每天都會產生大量的數據,為了處理這些爆炸式增長的數據,芯片需要擁有低功耗,低延時,高計算能力以及高帶寬等性能,因此能效比也成了如今制造芯片的關鍵指標。這些聽上去矛盾的性能要怎么實現?
二、三大法寶應對龐大的半導體需求
陳平提出了這幾點思考:
1.如果想提升技術,必須延續摩爾定律的發展
陳平解釋道,所謂的摩爾定律就是當價格不變時,集成電路上可容納的元器件的數目,約每隔18-24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍,這其實是非常激進的理論,但從1987年的3μm,到如今已經開始量產的7nm,大家似乎都不約而同的選擇遵守并追趕摩爾定律。
“就臺積電來說,7nm量產已經超過一年,5nm已經進入初期量產階段,明年年底將實現量產, 3nm也已經在來的路上了,值得一說的是,我們的2nm的研發也已開始。我們在不斷追趕摩爾定律,它還在繼續前進,并沒有失效。”陳平說道。
而不斷改進縮小的工藝到底有什么用?陳平給出了這樣一個例子。大家都知道華為目前大部分手機都采用自家芯片,華為mate20是其中比較火的一款手機。這款手機配備的就是華為麒麟980芯片。這款芯片集成了69億個晶體管,擁有非常強大的性能以及極低的功耗,而這一切都是在7nm的工藝上實現的。
工藝的微縮進展得益于全行業的不斷創新,摩爾定律走到盡頭的言論在1992年就已經有人提起,但這么多年來卻一直在延續,唱衰還言之過早,陳平稱。
對于芯片制造來說,光刻機是非常重要的一部分。光刻機在發展193nm的時候停頓了很多年,最終靠浸潤式技術實現了突破。如今所用的7nm技術就是依靠193nm的光刻機去實現的。如今光刻設備公司有了重大突破,euv技術讓光刻不在成為微縮的瓶頸,同時新材料也有了突破,這正是陳平有自信說出摩爾定律不會終止的原因。
2.大量引進3D集成概念
雖然目前技術在不斷進步,但終端產品出現越來越多的要求,需要高速的邏輯芯片以及存儲器、射頻芯片等等,像以往在一個平面上攤大餅顯然就不合適了,這樣子意味著芯片高功耗以及大面積等,與所追求的目標完全是相反的。
因此,陳平提出,目前的方法是用半導體晶片板代替集成電路板,下面布線,把不同的芯片接在下方,如果把芯片平行放置,這種方法被稱之為2.5D系統,如果垂直放置,就被稱為3D系統。而臺積電目前已量產2.5D系統,3D系統也正在開發,就這個方向來說,發展速度與摩爾定律是平行的。
作為例子,陳平提到CoWoS這個技術,它是2.5D系統的代表。原先因為價格昂貴被多家棄用,而隨著制程推進到16納米FinFET,以及異質芯片整合趨勢成形,目前已有多家廠商訂購,2.5D系統可以提供高速計算,是目前比較通用的技術。
陳平還提到另一個趨勢-先進封裝技術,把不同工藝通過異構集成組合在一起,用完全不同的工藝制造出來的芯片集合在一起,不僅可以保存功能,還能盡可能縮小體積。
3.硬件與軟件的協同優化
對于產品的生產來說,硬件很重要,軟件也不能忽視。陳平說,在早先研發工藝的時候,采用的是機械方法,現在不一樣,你需要看最終的設計是否是最優化的方案。因此在工藝開發的時候需要與客戶緊密合作,而不能以指標作為最終目的。
在系統層面上來說,以前的gpu,cpu等優點是比較通用,可編程。但缺點也很明顯,效率比較低,用硬件加速的話,功能都是特定的,靈活性不好。現在的設計將硬件加速器變成高效速率器件,同時帶有可編程、可設計功能,這是在系統層面的大方向。
就陳平來看,未來soc的結構基本都會硬軟件相互配合優化,而臺積電也將對系統段的優化非常關注。
半導體產業的需求很高,由單一型變成綜合的能效型,掌握好三大法寶,是壯大半導體行業的必要手法。