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當摩爾定律失效，芯片業何去何從？

據悉，國家科技體制改革和創新體系建設領導小組第十八次會議日前在北京召開。會議專題討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術。

業界認為，再過10年，芯片產業會進入后摩爾時代。當晶體管收縮不再可行時，創新不會停止，新材料、異構整合等會成為提高芯片性能的突破方向，如3D封裝、第三代半導體、碳納米管芯片、量子芯片等。

摩爾定律仍在發揮余熱

半導體工業誕生于上世紀70年代。1965年，時任仙童半導體的工程師摩爾預言了集成電路發展的趨勢，后經修正，就是大名鼎鼎的摩爾定律，即集成電路上可容納的晶體管數量每隔18-24個月就增加一倍，性能也提升一倍。換言之，為了達到摩爾定律，在二維層面，晶體管的長寬需各縮小到原來的70%，才能讓芯片面積縮小近一半。

摩爾定律下CPU、存儲器、邏輯芯片的尺寸越來越小。

50多年來，半導體產業大體沿著摩爾定律在發展，但速度已有所放緩，且已逼近硅材料的物理極限。以臺積電為例，2018年4月，其實現了7納米工藝量產，2020年三季度實現5納米工藝量產，預計3納米工藝將在明年下半年實現量產。據了解，臺積電2納米工藝預計在2024年量產，1納米工藝研發亦在推進。

來源：臺積電

此外，各大廠商對工藝節點的命名也出現了分歧，不再是簡單的0.7倍微縮法則。近期，IBM發布了2納米工藝，但業界有不同聲音，經過模擬測量，認為該工藝更接近3納米。又如英特爾的10納米芯片與臺積電的7納米芯片具有大致相等的晶體管密度。當前業界正在討論哪種新數字或數字組合可以更好地反映進度。

值得一提的是，荷蘭ASML公司的EUV光刻機可在大批量生產中提供最高分辨率的光刻技術，從而推動了摩爾定律的發展。ASML正在研制更為先進的EUV光刻機，如High-NA EUV（0.55NA），預計在明年交付，屆時1.5納米及更高工藝邏輯芯片生產將成為可能。ASML認為，未來10年，會繼續在成像和覆膜性能方面出現重大創新。

1納米被看作摩爾定律在工藝上的極限，業內普遍預計，摩爾定律在未來10年仍將發揮余熱。

顛覆性技術會有哪些？

后摩爾時代，技術創新會變得更具挑戰性。ASML認為，下一代芯片設計將包括更多奇特的材料，新的封裝技術和更復雜的3D設計。半導體行業將把來自物理、化學、生物和計算機科學各個領域的工程師聯系起來。這些設計將有助于生成現在甚至無法想象的消費產品。它們還將推動即將出現的下一波創新浪潮。

據了解，28納米工藝以下各節點各廠商仍稱為0.7X微縮，但閘級線寬卻是約0.9X微縮，之所以摩爾定律繼續有效，主要源于技術創新。如面積微縮法則，存儲器芯片從2D進階到3D。

英特爾展示其3D NAND技術：

來源：英特爾

目前，采用異構堆棧的3D封裝技術越來越受產業重視，英特爾、臺積電、三星等一線廠商積極布局，長電科技、通富微電、華天科技這三大國內封測廠亦有技術平臺。

臺積電展示其3D封裝技術之一：

來源：臺積電

隨著集成電路制造工藝技術的不斷發展，對端口密度、信號延遲及封裝體積等提出了越來越高的要求，促進了先進封裝如凸塊、倒裝、硅穿孔、2.5D、3D等新型封裝工藝及封裝形式的出現和發展。

長電科技認為，3D集成技術正在三個領域向前推進：封裝級集成、晶圓級集成和硅級集成。各種類型的堆疊集成技術被用于將多個具有不同功能的芯片集中到越來越小的尺寸中。

新材料方面，第三代半導體被寄予厚望。目前，第三代半導體材料中比較成熟的有碳化硅、氮化鎵等。第三代半導體材料具有高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射等特性，可以實現更好電子濃度和運動控制，特別是在苛刻條件下備受青睞，在5G、新能源汽車、消費電子、新一代顯示、航空航天等領域有重要應用。

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