解讀“后摩爾定律”探索IC發(fā)展方向
[導(dǎo)讀]SSIPEX知識(shí)產(chǎn)權(quán)部顧問趙建忠摩爾定律在自1965年發(fā)明以來的45年中，一直引領(lǐng)著世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向?qū)崿F(xiàn)更低的成本、更大的市場(chǎng)、更高的經(jīng)濟(jì)效益前進(jìn)。然而，隨著半導(dǎo)體技術(shù)逐漸逼近硅工藝尺寸極限，摩爾定律原導(dǎo)出的“IC
SSIPEX知識(shí)產(chǎn)權(quán)部顧問趙建忠
摩爾定律在自1965年發(fā)明以來的45年中，一直引領(lǐng)著世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向?qū)崿F(xiàn)更低的成本、更大的市場(chǎng)、更高的經(jīng)濟(jì)效益前進(jìn)。然而，隨著半導(dǎo)體技術(shù)逐漸逼近硅工藝尺寸極限，摩爾定律原導(dǎo)出的“IC的集成度約每隔18個(gè)月翻一倍，而性能也將提升一倍”的規(guī)律將不再適用。為此，國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖組織(ITRS)在2005年的技術(shù)路線圖中，即提出了“后摩爾定律”的概念。近年的技術(shù)路線圖更清晰地展現(xiàn)了這種摩爾定律與“后摩爾定律”相結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)，并認(rèn)為“后摩爾定律”在應(yīng)用中的比重會(huì)越來越大。
后摩爾定律是摩爾定律的生命延續(xù)
ITRS組織針對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)近期(2007～2015年)和遠(yuǎn)期(2016～2022年)的挑戰(zhàn)，在技術(shù)路線制定上，提出選擇兩種發(fā)展方式：一是，繼續(xù)沿著摩爾定律按比例縮小的方向前進(jìn)，專注于硅基CMOS技術(shù)；二是，按“后摩爾定律”的多重技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用向前發(fā)展，即在產(chǎn)品多功能化(功耗、帶寬等)需求下，將硅基CMOS和非硅基等技術(shù)相結(jié)合，以提供完整的解決方案來應(yīng)對(duì)和滿足層出不窮的新市場(chǎng)發(fā)展。其中，“后摩爾定律”技術(shù)被業(yè)界認(rèn)為，其在IC產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)中的比重將越來越凸顯。
“后摩爾定律”的實(shí)質(zhì)是，它除了會(huì)延續(xù)摩爾定律對(duì)集成度、性能的追求外，還會(huì)利用更多的技術(shù)，例如模擬/射頻、高壓功率電源、MEMS傳感器、生物芯片技術(shù)及系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)等三維(3D)集成技術(shù)，以提供具有更高附加價(jià)值的系統(tǒng)。
“后摩爾定律”對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有強(qiáng)大的推動(dòng)力。它一方面使半導(dǎo)體技術(shù)從過去投入巨額資金追隨工藝節(jié)點(diǎn)的推進(jìn)，轉(zhuǎn)到投資市場(chǎng)應(yīng)用及其解決方案上來；同時(shí)，從過去看重系統(tǒng)中的微處理器和存儲(chǔ)器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，轉(zhuǎn)向封裝技術(shù)、混合信號(hào)技術(shù)等綜合技術(shù)創(chuàng)新；從過去的半導(dǎo)體公司與客戶、供應(yīng)商之間的一般買賣關(guān)系，轉(zhuǎn)向建立緊密的戰(zhàn)略聯(lián)盟，形成大生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系；尤其是，3D集成技術(shù)中的硅直通孔(Through-SiliconVia，TSV)封裝技術(shù)，有可能引發(fā)世界半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展方式的根本性改變。
“后摩爾定律”對(duì)全球IC創(chuàng)新應(yīng)用具有重要作用。今天，人們需要高速度、高性能和大容量，還需要節(jié)能、環(huán)保、舒適以及安全性和低成本。這些新變化、新需求在很大程度上將依賴于后摩爾定律相關(guān)技術(shù)的作用。因?yàn)樗鼈兩婕暗南到y(tǒng)集成產(chǎn)品，將出現(xiàn)許多異構(gòu)和異質(zhì)器件的多重技術(shù)結(jié)合；單純以SoC方式或難以實(shí)現(xiàn)，或成本效益不足；而“后摩爾定律”揭示的采用如SiP等3D技術(shù)、混合信號(hào)半導(dǎo)體技術(shù)、MEMS技術(shù)和生物技術(shù)與CMOS邏輯技術(shù)相融合，不僅提供一個(gè)完整的低成本微系統(tǒng)，而且將為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)指明一條繼續(xù)前進(jìn)的光明大道。
“后摩爾定律”與摩爾定律結(jié)合推動(dòng)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展
應(yīng)該看到，在當(dāng)今摩爾定律的演進(jìn)中，基于摩爾定律與“后摩爾定律”的結(jié)合，它們的創(chuàng)新將使世界半導(dǎo)體技術(shù)及其應(yīng)用日益呈現(xiàn)出多元化和綜合化，將極大地推動(dòng)著世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
在半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展方面。在一個(gè)高度集成的智能化微系統(tǒng)中，處理器、存儲(chǔ)器和邏輯電路是屬摩爾定律的范疇，而集成的無線電、電源管理、傳感器等模塊是屬“后摩爾定律”的范疇。
其中，在摩爾定律的范疇，ITRS指出，2010年的技術(shù)節(jié)點(diǎn)是45納米，2013年為32納米，到2015年將進(jìn)一步縮小為25納米，2016年為22納米；估計(jì)到2018年將會(huì)接近硅CMOS技術(shù)的極限。其內(nèi)容包括設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、邏輯電路和物理設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、可測(cè)試設(shè)計(jì)、可制造設(shè)計(jì)等6個(gè)領(lǐng)域。另外，在新的工藝和新材料方面將來也會(huì)取得突破性進(jìn)展，如溝道替換、絕緣體上硅等新技術(shù)，包括除高K金屬柵材料外的其他新材料等。至于未來元器件類型的新結(jié)構(gòu)，ITRS雖增加了新型元器件的章節(jié)，但僅停留在探索層面上，還沒有制定路線圖。
在“后摩爾定律”范疇，ITRS指出，在當(dāng)今的智能化微系統(tǒng)芯片開發(fā)中，尤其是，無線電領(lǐng)域新興應(yīng)用不斷出現(xiàn)，有越來越多采用包括非CMOS的新器件集成的多重技術(shù)將會(huì)進(jìn)入3D集成時(shí)代。
3D集成實(shí)際上是一種系統(tǒng)級(jí)集成結(jié)構(gòu)，其中的TSV技術(shù)，是芯片制造與封裝技術(shù)相融合的集成技術(shù)。據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)YoleDeveloppement統(tǒng)計(jì)，到2013年，59%的3D系統(tǒng)級(jí)集成結(jié)構(gòu)，將采用多層平面器件的堆疊形式，并經(jīng)由穿透硅通孔(TSV)的半導(dǎo)體工藝連接起來；到2015年，3D-TSV晶圓的出貨量將達(dá)數(shù)百萬片，并可能對(duì)25%的存儲(chǔ)器業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響。2015年，除了存儲(chǔ)器，3D-TSV晶圓在整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的份額也將超過6%。同時(shí)，還將促進(jìn)相關(guān)設(shè)備和材料的推陳出新，它們的市場(chǎng)規(guī)模也將分別在2013年和2015年達(dá)到10億美元。
3D集成技術(shù)首先將在圖像傳感器、MEMS器件、生物醫(yī)學(xué)器件及其與邏輯(ASIC)包括3D-SoC/SiP的整合等應(yīng)用突破，然后將進(jìn)入諸如信息家電、便攜式手持設(shè)備、無線移動(dòng)終端、汽車、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)保和安防系統(tǒng)等半導(dǎo)體各個(gè)領(lǐng)域，并不斷增長(zhǎng)而得到越來越廣泛的應(yīng)用。
在技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用方面。ITRS認(rèn)為，半導(dǎo)體集成電路市場(chǎng)的發(fā)展在很大程度上是個(gè)人計(jì)算機(jī)、數(shù)字電視和手機(jī)受終端及系統(tǒng)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)。目前，在全球“新能源”和“物聯(lián)網(wǎng)”的興起及其發(fā)展的大趨勢(shì)下，世界半導(dǎo)體市場(chǎng)呈現(xiàn)著三大發(fā)展趨勢(shì)：一是綠色化，二是無線網(wǎng)絡(luò)化，三是健康安全化。這更為世界IC產(chǎn)品帶來了層出不窮的創(chuàng)新空間，如以云計(jì)算為標(biāo)志的高性能的安全計(jì)算機(jī)和服務(wù)器領(lǐng)域，以3G及今后的4G無線寬帶網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施及相應(yīng)終端為代表的新一代無線通信領(lǐng)域，以風(fēng)能、核能和太陽能為標(biāo)志的新能源領(lǐng)域，以信息傳感和控制設(shè)備為標(biāo)志的工業(yè)化與信息化融合領(lǐng)域，以電力電子為代表的智能電網(wǎng)及其控制領(lǐng)域，還包括以新能源汽車和醫(yī)療電子為代表的領(lǐng)域等。
這種越來越多終端及系統(tǒng)領(lǐng)域的“應(yīng)用”驅(qū)動(dòng)趨勢(shì)，大大促使了摩爾定律與“后摩爾定律”的結(jié)合，其中“后摩爾定律”將起著不可替代的作用。應(yīng)該看到，上述領(lǐng)域，離不開無線電的模擬/射頻技術(shù)、混合信號(hào)半導(dǎo)體技術(shù)、高壓功率電源技術(shù)，以及MEMS傳感器、生物芯片技術(shù)和3D集成技術(shù)；當(dāng)然也離不開它們與CMOS邏輯技術(shù)相融合的發(fā)展。
“后摩爾定律”提出和實(shí)施是ITRS對(duì)技術(shù)進(jìn)步的貢獻(xiàn)
ITRS對(duì)全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的預(yù)測(cè)作用，是被業(yè)界廣泛認(rèn)同的。其提出的“后摩爾定律”的宗旨，是致力于找到產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展所面臨的瓶頸，找到解決方法。其本質(zhì)是持續(xù)創(chuàng)新與不斷變革。其主要貢獻(xiàn)：[!--empirenews.page--]
一是，它不僅營(yíng)造了全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，而且在信息技術(shù)與通信技術(shù)相融合的領(lǐng)域，具有培育起新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的巨大現(xiàn)實(shí)和潛在驅(qū)動(dòng)力。
二是，它為如中國為代表的發(fā)展中國家，在新興市場(chǎng)中應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)、持續(xù)推進(jìn)本國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、建立自主可控的創(chuàng)新體系指明了一條產(chǎn)品多功能化、以成本為推動(dòng)力的高效路徑?？傊?，“后摩爾定律”告知世界，全球半導(dǎo)體行業(yè)是一個(gè)充滿了活力和創(chuàng)造力的行業(yè)，摩爾定律揭示的創(chuàng)新精神，將不斷地推動(dòng)行業(yè)持續(xù)創(chuàng)新。
摩爾定律在自1965年發(fā)明以來的45年中，一直引領(lǐng)著世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向?qū)崿F(xiàn)更低的成本、更大的市場(chǎng)、更高的經(jīng)濟(jì)效益前進(jìn)。然而，隨著半導(dǎo)體技術(shù)逐漸逼近硅工藝尺寸極限，摩爾定律原導(dǎo)出的“IC的集成度約每隔18個(gè)月翻一倍，而性能也將提升一倍”的規(guī)律將不再適用。為此，國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖組織(ITRS)在2005年的技術(shù)路線圖中，即提出了“后摩爾定律”的概念。近年的技術(shù)路線圖更清晰地展現(xiàn)了這種摩爾定律與“后摩爾定律”相結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)，并認(rèn)為“后摩爾定律”在應(yīng)用中的比重會(huì)越來越大。
后摩爾定律是摩爾定律的生命延續(xù)
ITRS組織針對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)近期(2007～2015年)和遠(yuǎn)期(2016～2022年)的挑戰(zhàn)，在技術(shù)路線制定上，提出選擇兩種發(fā)展方式：一是，繼續(xù)沿著摩爾定律按比例縮小的方向前進(jìn)，專注于硅基CMOS技術(shù)；二是，按“后摩爾定律”的多重技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用向前發(fā)展，即在產(chǎn)品多功能化(功耗、帶寬等)需求下，將硅基CMOS和非硅基等技術(shù)相結(jié)合，以提供完整的解決方案來應(yīng)對(duì)和滿足層出不窮的新市場(chǎng)發(fā)展。其中，“后摩爾定律”技術(shù)被業(yè)界認(rèn)為，其在IC產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)中的比重將越來越凸顯。
“后摩爾定律”的實(shí)質(zhì)是，它除了會(huì)延續(xù)摩爾定律對(duì)集成度、性能的追求外，還會(huì)利用更多的技術(shù)，例如模擬/射頻、高壓功率電源、MEMS傳感器、生物芯片技術(shù)及系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)等三維(3D)集成技術(shù)，以提供具有更高附加價(jià)值的系統(tǒng)。
“后摩爾定律”對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有強(qiáng)大的推動(dòng)力。它一方面使半導(dǎo)體技術(shù)從過去投入巨額資金追隨工藝節(jié)點(diǎn)的推進(jìn)，轉(zhuǎn)到投資市場(chǎng)應(yīng)用及其解決方案上來；同時(shí)，從過去看重系統(tǒng)中的微處理器和存儲(chǔ)器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，轉(zhuǎn)向封裝技術(shù)、混合信號(hào)技術(shù)等綜合技術(shù)創(chuàng)新；從過去的半導(dǎo)體公司與客戶、供應(yīng)商之間的一般買賣關(guān)系，轉(zhuǎn)向建立緊密的戰(zhàn)略聯(lián)盟，形成大生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系；尤其是，3D集成技術(shù)中的硅直通孔(Through-SiliconVia，TSV)封裝技術(shù)，有可能引發(fā)世界半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展方式的根本性改變。
“后摩爾定律”對(duì)全球IC創(chuàng)新應(yīng)用具有重要作用。今天，人們需要高速度、高性能和大容量，還需要節(jié)能、環(huán)保、舒適以及安全性和低成本。這些新變化、新需求在很大程度上將依賴于后摩爾定律相關(guān)技術(shù)的作用。因?yàn)樗鼈兩婕暗南到y(tǒng)集成產(chǎn)品，將出現(xiàn)許多異構(gòu)和異質(zhì)器件的多重技術(shù)結(jié)合；單純以SoC方式或難以實(shí)現(xiàn)，或成本效益不足；而“后摩爾定律”揭示的采用如SiP等3D技術(shù)、混合信號(hào)半導(dǎo)體技術(shù)、MEMS技術(shù)和生物技術(shù)與CMOS邏輯技術(shù)相融合，不僅提供一個(gè)完整的低成本微系統(tǒng)，而且將為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)指明一條繼續(xù)前進(jìn)的光明大道。
“后摩爾定律”與摩爾定律結(jié)合推動(dòng)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展
應(yīng)該看到，在當(dāng)今摩爾定律的演進(jìn)中，基于摩爾定律與“后摩爾定律”的結(jié)合，它們的創(chuàng)新將使世界半導(dǎo)體技術(shù)及其應(yīng)用日益呈現(xiàn)出多元化和綜合化，將極大地推動(dòng)著世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
在半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展方面。在一個(gè)高度集成的智能化微系統(tǒng)中，處理器、存儲(chǔ)器和邏輯電路是屬摩爾定律的范疇，而集成的無線電、電源管理、傳感器等模塊是屬“后摩爾定律”的范疇。
其中，在摩爾定律的范疇，ITRS指出，2010年的技術(shù)節(jié)點(diǎn)是45納米，2013年為32納米，到2015年將進(jìn)一步縮小為25納米，2016年為22納米；估計(jì)到2018年將會(huì)接近硅CMOS技術(shù)的極限。其內(nèi)容包括設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、邏輯電路和物理設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、可測(cè)試設(shè)計(jì)、可制造設(shè)計(jì)等6個(gè)領(lǐng)域。另外，在新的工藝和新材料方面將來也會(huì)取得突破性進(jìn)展，如溝道替換、絕緣體上硅等新技術(shù)，包括除高K金屬柵材料外的其他新材料等。至于未來元器件類型的新結(jié)構(gòu)，ITRS雖增加了新型元器件的章節(jié)，但僅停留在探索層面上，還沒有制定路線圖。
在“后摩爾定律”范疇，ITRS指出，在當(dāng)今的智能化微系統(tǒng)芯片開發(fā)中，尤其是，無線電領(lǐng)域新興應(yīng)用不斷出現(xiàn)，有越來越多采用包括非CMOS的新器件集成的多重技術(shù)將會(huì)進(jìn)入3D集成時(shí)代。
3D集成實(shí)際上是一種系統(tǒng)級(jí)集成結(jié)構(gòu)，其中的TSV技術(shù)，是芯片制造與封裝技術(shù)相融合的集成技術(shù)。據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)YoleDeveloppement統(tǒng)計(jì)，到2013年，59%的3D系統(tǒng)級(jí)集成結(jié)構(gòu)，將采用多層平面器件的堆疊形式，并經(jīng)由穿透硅通孔(TSV)的半導(dǎo)體工藝連接起來；到2015年，3D-TSV晶圓的出貨量將達(dá)數(shù)百萬片，并可能對(duì)25%的存儲(chǔ)器業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響。2015年，除了存儲(chǔ)器，3D-TSV晶圓在整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的份額也將超過6%。同時(shí)，還將促進(jìn)相關(guān)設(shè)備和材料的推陳出新，它們的市場(chǎng)規(guī)模也將分別在2013年和2015年達(dá)到10億美元。
3D集成技術(shù)首先將在圖像傳感器、MEMS器件、生物醫(yī)學(xué)器件及其與邏輯(ASIC)包括3D-SoC/SiP的整合等應(yīng)用突破，然后將進(jìn)入諸如信息家電、便攜式手持設(shè)備、無線移動(dòng)終端、汽車、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)保和安防系統(tǒng)等半導(dǎo)體各個(gè)領(lǐng)域，并不斷增長(zhǎng)而得到越來越廣泛的應(yīng)用。
在技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用方面。ITRS認(rèn)為，半導(dǎo)體集成電路市場(chǎng)的發(fā)展在很大程度上是個(gè)人計(jì)算機(jī)、數(shù)字電視和手機(jī)受終端及系統(tǒng)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)。目前，在全球“新能源”和“物聯(lián)網(wǎng)”的興起及其發(fā)展的大趨勢(shì)下，世界半導(dǎo)體市場(chǎng)呈現(xiàn)著三大發(fā)展趨勢(shì)：一是綠色化，二是無線網(wǎng)絡(luò)化，三是健康安全化。這更為世界IC產(chǎn)品帶來了層出不窮的創(chuàng)新空間，如以云計(jì)算為標(biāo)志的高性能的安全計(jì)算機(jī)和服務(wù)器領(lǐng)域，以3G及今后的4G無線寬帶網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施及相應(yīng)終端為代表的新一代無線通信領(lǐng)域，以風(fēng)能、核能和太陽能為標(biāo)志的新能源領(lǐng)域，以信息傳感和控制設(shè)備為標(biāo)志的工業(yè)化與信息化融合領(lǐng)域，以電力電子為代表的智能電網(wǎng)及其控制領(lǐng)域，還包括以新能源汽車和醫(yī)療電子為代表的領(lǐng)域等。
這種越來越多終端及系統(tǒng)領(lǐng)域的“應(yīng)用”驅(qū)動(dòng)趨勢(shì)，大大促使了摩爾定律與“后摩爾定律”的結(jié)合，其中“后摩爾定律”將起著不可替代的作用。應(yīng)該看到，上述領(lǐng)域，離不開無線電的模擬/射頻技術(shù)、混合信號(hào)半導(dǎo)體技術(shù)、高壓功率電源技術(shù)，以及MEMS傳感器、生物芯片技術(shù)和3D集成技術(shù)；當(dāng)然也離不開它們與CMOS邏輯技術(shù)相融合的發(fā)展。
“后摩爾定律”提出和實(shí)施是ITRS對(duì)技術(shù)進(jìn)步的貢獻(xiàn)
ITRS對(duì)全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的預(yù)測(cè)作用，是被業(yè)界廣泛認(rèn)同的。其提出的“后摩爾定律”的宗旨，是致力于找到產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展所面臨的瓶頸，找到解決方法。其本質(zhì)是持續(xù)創(chuàng)新與不斷變革。其主要貢獻(xiàn)：[!--empirenews.page--]
一是，它不僅營(yíng)造了全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，而且在信息技術(shù)與通信技術(shù)相融合的領(lǐng)域，具有培育起新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的巨大現(xiàn)實(shí)和潛在驅(qū)動(dòng)力。
二是，它為如中國為代表的發(fā)展中國家，在新興市場(chǎng)中應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)、持續(xù)推進(jìn)本國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、建立自主可控的創(chuàng)新體系指明了一條產(chǎn)品多功能化、以成本為推動(dòng)力的高效路徑?？傊?，“后摩爾定律”告知世界，全球半導(dǎo)體行業(yè)是一個(gè)充滿了活力和創(chuàng)造力的行業(yè)，摩爾定律揭示的創(chuàng)新精神，將不斷地推動(dòng)行業(yè)持續(xù)創(chuàng)新。
下載文檔
