新材料或許能夠解決半導(dǎo)體行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。

摩爾定律并不是真正的自然定律或其他任何東西，但它已經(jīng)很好地估計(jì)了半導(dǎo)體技術(shù)隨著時(shí)間的推移提高系統(tǒng)性能的程度。直到最近，摩爾定律減速遇到了功率和頻率限制。再加上最近的芯片短缺，充分利用可以制造的硬件很重要。

解決這些限制的一種方法是在半導(dǎo)體工藝中使用新材料。本文中記錄了與Atomera 的Robert Mears 和 Jeff Lewis 討論了他們的解決方案。

關(guān)于摩爾定律是否正在放緩，如果是，速度有多快，有很多爭(zhēng)論。您有何看法？您如何看待這對(duì)半導(dǎo)體發(fā)展的影響？

摩爾定律今天有多種定義。在 Gordon Moore 1965 年的原著《將更多組件塞進(jìn)集成電路》中，他解釋說(shuō)，在每一代中，都會(huì)有一個(gè)理想的集成點(diǎn)，每個(gè)“組件”的成本最低（圖 1）。使用少于最小值的組件會(huì)增加成本，因?yàn)闆](méi)有實(shí)現(xiàn)集成的全部好處，而使用更多的組件是次優(yōu)的，因?yàn)榻档彤a(chǎn)量會(huì)抵消集成的好處。

圖1

摩爾的論文指出，每年可以實(shí)現(xiàn) 2 倍的復(fù)雜性增加。換句話說(shuō)，理想的密度點(diǎn)每代都翻倍，而每個(gè)組件的成本減半。

因此，摩爾定律是一種經(jīng)濟(jì)模型。Gordon Moore 使用不到 10 年的行業(yè)數(shù)據(jù)以驚人的準(zhǔn)確性預(yù)測(cè)了電子行業(yè)的未來(lái) 60 年。它也成為了行業(yè)的路線圖，它定義了每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)的密度將是其前身的兩倍。

根據(jù)這個(gè)最初的定義，許多人將“摩爾定律”定義為包含功率、性能、面積和成本 (PPAC) 四個(gè)關(guān)鍵半導(dǎo)體指標(biāo)。在這個(gè)擴(kuò)展的定義中，功率被描述為每一代減半，而性能則翻倍。然而，這個(gè)時(shí)間框架已經(jīng)從最初的一年延長(zhǎng)到 18 個(gè)月，然后延長(zhǎng)到兩年。

然而，功耗和性能是“脫離”摩爾定律曲線的前兩個(gè)指標(biāo)。近 20 年前，晶體管功率的降低速度有所放緩——每個(gè)連續(xù)的節(jié)點(diǎn)通常都會(huì)降低泄漏電流，但不是每個(gè)節(jié)點(diǎn)降低 2 倍。晶體管性能提升不久后放緩；同樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通常更快，但不是 2 倍。

在最初的定義中，關(guān)于摩爾定律是否放緩可能存在一些爭(zhēng)論。如果只看晶體管尺寸，那么摩爾定律當(dāng)然正在放緩，因?yàn)槊總€(gè)晶體管的面積并沒(méi)有每代縮小 2 倍。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)命名約定如“180 nm”用于指代晶體管柵極長(zhǎng)度；它現(xiàn)在與任何晶體管尺寸都沒(méi)有關(guān)系，并且最小柵極長(zhǎng)度比相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)名稱大得多。

但是，如果將“面積”視為以晶體管/mm 2衡量的芯片面積或密度，那么該度量標(biāo)準(zhǔn)可能仍然是摩爾定律的“最真實(shí)”。領(lǐng)先的制造商繼續(xù)實(shí)現(xiàn)與摩爾定律相距不遠(yuǎn)的密度改進(jìn)。

例如，在邏輯方面，預(yù)計(jì)臺(tái)積電的 3 納米 N3 工藝將比其 5 納米 N5 工藝提供接近摩爾定律 1.7 倍的芯片密度改進(jìn)，并且周期為兩年。整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)材料、器件架構(gòu)和 EUV 等突破性工具的不斷創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

然而，摩爾定律放緩甚至逆轉(zhuǎn)的地方是每個(gè)組件的成本。密度翻倍曾經(jīng)將每個(gè)晶體管的成本降低一半，這是電子革命的主要推動(dòng)力。摩爾定律意味著我們將以相同的成本獲得兩倍數(shù)量的晶體管（速度更快，功耗更低）。

如圖（圖 2）所示，這在 40 納米節(jié)點(diǎn)開(kāi)始放緩，并在行業(yè)轉(zhuǎn)向 FinFET 時(shí)幾乎停止。新節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了“接近摩爾”的芯片尺寸擴(kuò)展，但這幾乎被爆炸式的晶圓制造成本所抵消。各種分析表明，制造晶圓的成本比 28 納米節(jié)點(diǎn)增加了 3-5 倍，每個(gè) 5 納米晶圓的成本接近 18000 美元。

圖2

因此，很明顯，我們過(guò)去看到的摩爾定律成本降低正在顯著放緩。我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)在芯片上塞入近兩倍的晶體管來(lái)增加每一代的功能，但這些“超級(jí)芯片”的成本將比它們的上一代更高，而不是更低。這將對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響：

用于從摩爾定律縮放中獲得的電子產(chǎn)品成本和性能增益已經(jīng)放緩。因此，芯片設(shè)計(jì)師更多地投資于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和差異化，而不是盲目地追逐最新節(jié)點(diǎn)。

高級(jí)節(jié)點(diǎn)只對(duì) CPU、FPGA 和移動(dòng)處理器有吸引力；對(duì)于所有其他應(yīng)用來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)成本變得過(guò)高。這種趨勢(shì)已經(jīng)持續(xù)了一段時(shí)間，但使用最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的收益減少加速了這一趨勢(shì)。

產(chǎn)品生命周期延長(zhǎng)。以前，每一代產(chǎn)品都是可以達(dá)到的最好的，只是被隨后的上一代產(chǎn)品所掩蓋。今天的電子產(chǎn)品具有更長(zhǎng)的使用壽命，因?yàn)檩^新的產(chǎn)品不會(huì)像以前那樣提供相對(duì)改進(jìn)。這可能導(dǎo)致半導(dǎo)體需求顯著減少。但是，這將在一定程度上被汽車和工業(yè)設(shè)備等長(zhǎng)壽命產(chǎn)品中不斷增長(zhǎng)的半導(dǎo)體產(chǎn)品市場(chǎng)所抵消。

總而言之，摩爾定律既會(huì)放緩，也不會(huì)放緩——這取決于你所關(guān)注的方面。很明顯，正在放緩的領(lǐng)域?qū)?duì)行業(yè)產(chǎn)生重大影響。

你認(rèn)為短缺向我們展示了什么？

這種短缺導(dǎo)致許多半導(dǎo)體行業(yè)人士和政府官員討論通過(guò)建設(shè)新工廠來(lái)增加產(chǎn)能的必要性。與全球供應(yīng)鏈中的許多其他技術(shù)不同，資本密集型和延遲相結(jié)合的代價(jià)是數(shù)十億美元和數(shù)年的啟動(dòng)和運(yùn)行。因此，芯片供應(yīng)無(wú)法滿足 JIT（即時(shí)訂購(gòu)）的劇烈波動(dòng)，因此它對(duì)今天的不平衡幾乎沒(méi)有作用。

這也有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后遺癥效應(yīng)和周期性——產(chǎn)能繁榮在需求減弱之際上線，導(dǎo)致嚴(yán)重的產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題。產(chǎn)能問(wèn)題不僅處于領(lǐng)先地位。事實(shí)上，一些最大的限制來(lái)自于傳統(tǒng)的 200 毫米晶圓廠。

投資后置是有問(wèn)題的，因?yàn)檫@些晶圓廠的晶圓定價(jià)模型通?；谕耆叟f的資本設(shè)備。投資額外產(chǎn)能意味著在晶圓上增加資本折舊成本，使以具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格進(jìn)行投資的晶圓廠對(duì)那些不投資因此不提高價(jià)格的晶圓廠處于劣勢(shì)。

這是以小資本支出增加晶圓廠吞吐量的絕佳機(jī)會(huì)。例如 Atomera 的 Mears Silicon Technology(MST) 等新材料、重新設(shè)計(jì)的制造或計(jì)量流程以簡(jiǎn)化晶圓生產(chǎn)量，以及其他工程技術(shù)。

這是關(guān)于提高產(chǎn)量。我們需要通過(guò)在現(xiàn)有工藝節(jié)點(diǎn)內(nèi)提供一套新的材料改進(jìn)，使半導(dǎo)體工廠能夠延長(zhǎng)其昂貴制造設(shè)施的壽命的技術(shù)。

Atomera 的 MST 可以解決不平衡問(wèn)題，而無(wú)需高昂的價(jià)格標(biāo)簽和建造新晶圓廠所需的時(shí)間。它結(jié)合了創(chuàng)新材料、結(jié)構(gòu)和器件物理特性，從而實(shí)現(xiàn)了精確的半導(dǎo)體工程，尤其是當(dāng)晶圓廠公司不愿投資于后緣節(jié)點(diǎn)技術(shù)以完善半導(dǎo)體工藝時(shí)。

主要的 More-than-Moore (MtM) 技術(shù)包括：

新封裝技術(shù)（SiP等）

電源/HV/RF 技術(shù)

CIS 和其他傳感器

新存儲(chǔ)器（MRAM、ReRAM 等）

讓我們考慮一下列表中的前兩個(gè)。新封裝可能是其中最重要的，因?yàn)樗剐⌒酒推渌悩?gòu)晶圓幾乎可以組合在一起，就好像它們?cè)谕粋€(gè)芯片上一樣。這將對(duì)整個(gè)應(yīng)用程序和技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

功率、高壓和射頻是增長(zhǎng)最快的三個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)；功率和高壓的增長(zhǎng)依托于復(fù)雜電源管理 (PMIC) 的增長(zhǎng)以及汽車、工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施的增長(zhǎng)；射頻是因?yàn)?a target="_blank">5G、6G帶來(lái)的日益復(fù)雜的移動(dòng)通信而增長(zhǎng)。

這些市場(chǎng)符合“超越摩爾”的經(jīng)典定義，因?yàn)樵S多大型開(kāi)關(guān)和其他設(shè)備需要一定的物理尺寸，并且不能按照摩爾定律的傳統(tǒng)意義進(jìn)行擴(kuò)展。

縮小和改進(jìn)這些設(shè)備的最佳方法之一是使用新材料。Atomera 的 MST 已被證明可以使用相同的工藝節(jié)點(diǎn)和設(shè)備組將這些大型電源開(kāi)關(guān)的尺寸顯著減小 30% 或更多。

公司也在加大力度使用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 基板來(lái)制造成本更低、損耗更低的功率器件。超越摩爾技術(shù)是現(xiàn)在和未來(lái)芯片供應(yīng)鏈中斷的解決方案，可以保護(hù)該行業(yè)免受未來(lái)此類短缺的影響。

審核編輯 ：李倩