什么是摩爾定律 ?為何先進制程玩家反攻成熟制程?
摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗之談,其核心內(nèi)容為:集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月到24個月便會增加一倍。換言之,處理器的性能大約每兩年翻一倍,同時價格下降為之前的一半。摩爾定律是內(nèi)行人摩爾的經(jīng)驗之談,漢譯名為“定律”,但并非自然科學定律,它一定程度揭示了信息技術(shù)進步的速度。
1959年,美國著名半導體廠商仙童公司首先推出了平面型晶體管,緊接著于1961年又推出了平面型集成電路。這種平面型制造工藝是在研磨得很平的硅片上,采用一種所謂“光刻”技術(shù)來形成半導體電路的元器件,如二極管、三極管、電阻和電容等 只要“光刻”的精度不斷提高,元器件的密度也會相應提高,從而具有極大的發(fā)展?jié)摿?。因此平面工藝被認為是“整個半導體的工業(yè)鍵”,也是摩爾定律問世的技術(shù)基礎(chǔ) [2] 。
1965年時任仙童半導體公司研究開發(fā)實驗室主任的摩爾應邀為《電子學》雜志35周年??瘜懥艘黄^察評論報告,題目是:“讓集成電路填滿更多的元件”。在摩爾開始繪制數(shù)據(jù)時,發(fā)現(xiàn)了一個驚人的趨勢:每個新芯片大體上包含其前任兩倍的容量,每個芯片的產(chǎn)生都是在前一個芯片產(chǎn)生后的18-24個月內(nèi) 。如果這個趨勢繼續(xù),計算能力相對于時間周期將呈指數(shù)式的上升。 Moore的觀察資料,就是現(xiàn)在所謂的Moore定律。其所闡述的趨勢一直延續(xù)至今,且仍不同尋常地準確 。人們還發(fā)現(xiàn)這不僅適用于對存儲器芯片的描述,也精確地說明了處理機能力和磁盤驅(qū)動器存儲容量的發(fā)展。該定律成為許多工業(yè)對于性能預測的基礎(chǔ) 。在26年的時間里,芯片上的晶體管數(shù)量增加了3200多倍,從1971年推出的第一款4004的2300個增加到奔騰II處理器的750萬個。
歸納起來,“摩爾定律”主要有以下3種“版本”:1、集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目,每隔18個月就翻一番;2、微處理器的性能每隔18個月提高一倍,而價格下降一半;3、用一美元所能買到的計算機性能,每隔18個月翻兩番 。以上幾種說法中,以第一種說法最為普遍,第二、三兩種說法涉及價格因素,其實質(zhì)是一樣的。三種說法雖然各有千秋,但在一點上是共同的,即“翻番”的周期都是18個月,至于“翻一番”(或兩番)的是“集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目”或是整個“計算機的性能”,還是“一美元所能買到的性能”就見仁見智了 。
截至目前,汽車芯片仍處于緊缺狀態(tài),而且,短缺物料已從常規(guī)車用芯片延伸至IGBT等電動車增量芯片;而就在產(chǎn)業(yè)鏈加大力度解決汽車芯片短缺問題時,已有部分企業(yè)在規(guī)劃更先進制程工藝的車規(guī)級芯片,如芯擎科技、恩智浦、高通、英偉達等,陸續(xù)發(fā)布7nm、5nm制程芯片。那么,車用芯片向先進制程工藝發(fā)展是否已經(jīng)成為主流?
對此,業(yè)內(nèi)人士稱,安全、穩(wěn)定、可靠是車規(guī)級芯片的最大訴求,車用芯片種類眾多,并非所有芯片都適用于先進制程,而AI計算單元等新一代芯片,出于性能、功耗和成本考慮,更傾向于采用先進制程工藝。芯擎科技董事兼CEO汪凱博士進一步指出,采用先進工藝的芯片還能為未來OTA等迭代升級預留空間。
臺積電仍是車芯香餑餑
日前小鵬汽車創(chuàng)始人何小鵬發(fā)文稱,一輛智能汽車需要幾百種、5000顆以上芯片,但目前仍有很多專有芯片處于短缺狀態(tài)。筆者從供應鏈了解到,IGBT目前供應緊張,部分物料交貨周期已拉長至50周以上。汽車行業(yè)數(shù)據(jù)預測公司Auto Forecast Solutions數(shù)據(jù)顯示,在芯片短缺及疫情雙重影響下,截至5月中旬,今年全球汽車已累計減產(chǎn)達172萬輛。
而就在產(chǎn)業(yè)鏈極力解決芯片短缺問題之時,部分企業(yè)已在積極布局下一代先進制程工藝汽車芯片。
相比5nm,7nm車用芯片更多,部分產(chǎn)品已實現(xiàn)量產(chǎn)甚至裝車。如英偉達的Orin,就是7nm高算力芯片的代表,已于今年3月末官宣量產(chǎn),該芯片一經(jīng)推出就獲得了比亞迪、理想、集度、奔馳、智己、捷豹路虎、沃爾沃、現(xiàn)代、奧迪、路特斯等大批主機廠選用,并首搭于蔚來ET 7車型上。
其他芯片中,芯擎科技“龍鷹一號”、地平線征程6、Mobileye的EyeQ5/EyeQ6、寒武紀旗下行歌科技高等級智能駕駛芯片(未發(fā)布)、特斯拉FSD芯片、賽靈思Versal AI Edge系列等也均是采用7nm制程工藝。
談及 IC 報價,有業(yè)界人士稱大尺寸與中尺寸面板驅(qū)動 IC 價格約比去年底小幅減少,小尺寸面板驅(qū)動 IC 報價則已比去年底降低二成以上。觸控與驅(qū)動整合 IC(TDDI)方面,有些品項價格降幅已有兩位數(shù)百分比,部分降幅還在一成以內(nèi),其中以 FHD TDDI 芯片降幅較大。
相較于3納米/2納米這樣的先進制程,在成熟制程領(lǐng)域的看客似乎越來越多。一方面是因為成熟制程市場種類百花齊放,有模擬芯片、功率半導體、MCU、射頻芯片等等。再就是鎖定這塊市場的晶圓代工業(yè)者愈發(fā)多,隨著臺積電和三星開始反攻成熟制程,對于成熟制程晶圓廠商來說,挑戰(zhàn)愈發(fā)大。最后還有在細分領(lǐng)域小而美的專業(yè)代工業(yè)者正在不斷蓄力。成熟制程領(lǐng)域粥多僧多,競爭正處于前所未有的激烈。
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在代工領(lǐng)域,英特爾長久以來都是只給自己代工,但是去年英特爾的IDM 2.0策略中,將晶圓代工業(yè)務重啟。英特爾在今年公布了2022第一季的代工業(yè)務表現(xiàn),從去年的1.03億美元增至2.83億美元,同比暴漲175%,雖然相比臺積電、聯(lián)電仍有較大差距,但已逐步逼近了力積電等廠商。根據(jù)英特爾對投資人公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,主要來自思科、亞馬遜等30多家客戶的訂單。這還不包括收購的Tower Semiconductor,若再完成合并高塔半導體,整體體量會更大,將逐步進逼力積電、聯(lián)電等臺廠。
晶圓廠的大幅擴產(chǎn)也反映到了設(shè)備市場中,光刻機設(shè)備供應商ASML一季度賣出了62臺光刻機,實現(xiàn)凈銷售額35億歐元,凈利潤6.95億歐元,新增訂單金額70億歐元,其中25億歐元來自0.33 NA和0.55 NA EUV系統(tǒng)訂單以及大量的DUV訂單,這反映了市場對先進和成熟節(jié)點持續(xù)性的強勁需求。
隨著新工藝節(jié)點的不斷推出,晶體管中原子的數(shù)量已經(jīng)越來越少,種種物理極限制約著摩爾定律的進一步發(fā)展。
甚至有人認為摩爾定律已經(jīng)結(jié)束了。
因此,為了「拯救」摩爾定律,工程師們不得不改變晶體管結(jié)構(gòu),繼續(xù)減少面積和功耗,并提高其性能。
20世紀下半葉,主要流行平面晶體管設(shè)計(Planar Transistor)??缛?010年代,3D鰭形器件(3D fin-shaped devices)逐漸替代了平面設(shè)計。
現(xiàn)在,一種全新的晶體管設(shè)計結(jié)構(gòu),即全環(huán)繞柵極晶體管(GAA)成為FinFET的繼任者,并且即將投入生產(chǎn)。
但是,我們必須看得更遠。因為即便是英特爾提出的這種全新晶體管架構(gòu)RibbonFET,我們在縮小尺寸上的能力也有局限性。
要相信, 3D堆疊的互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 或 CFET(互補場效應晶體管)將是把摩爾定律延伸到下一個十年的關(guān)鍵。
每個金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)都有一套相同的基本部件:
柵極疊層 (gate stack) 、溝道區(qū) (channel region) 、源極 (source) 、漏極 (drain)
源極和漏極經(jīng)過化學摻雜,使它們要么富含移動電子(n型),要么缺乏它們(p型)。溝道區(qū)具有與源極和漏極相反的摻雜。
2011年之前的先進微處理器中的平面版本晶體管中,MOSFET的柵極疊層剛好在溝道區(qū)的上方,是用來將電場投射到溝道區(qū)域。
向柵極施加足夠大的電壓 (相對于源極) ,就會在通道區(qū)域形成一層移動電荷載流子,這樣就能讓電流在源極和漏極之間流動。