關(guān)鍵字：半導體產(chǎn)業(yè) 摩爾定律 物聯(lián)網(wǎng)
手機要傳輸電話(huà)，首先得有一個(gè)模擬-數字轉換器，把聲音壓力和頻率轉換成數字信號，還要有天線(xiàn)、麥克風(fēng)、擴音器、板載通信系統等等。為了用戶(hù)下載和使用應用程序，手機還得配備加速度計、圖形處理器、視頻處理器、大量?jì)却?，等等。所有這些功能性的電子元器件必須盡可能微型化，手機才不至于太過(guò)笨重，才能將能耗降至最低并高效散熱，當然，生產(chǎn)組裝成本也才有可能低廉。
半導體廠(chǎng)商所面對的，是汽車(chē)行業(yè)、保健應用以及方興未艾的“物聯(lián)網(wǎng)”對于電子元器件的挑戰性需求呈無(wú)止境的增加。它們必須在縮小體積、降低能耗與生產(chǎn)成本劇增之間達成某種平衡。
摩爾定律（英特爾共同創(chuàng )始人高登·摩爾預測，芯片上的晶體管數量每十年會(huì )翻一番）是一方面，主要有以下三種"版本"：
●集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔18個(gè)月就翻一番；
●微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，而價(jià)格下降一倍；
●用一個(gè)美元所能買(mǎi)到的電腦性能，每隔18個(gè)月翻兩番。
不過(guò)很明顯，晶體管的數量增加，密度也相應增加，那么個(gè)體尺寸和刻蝕（也就是線(xiàn)寬）都必須變小。線(xiàn)寬降到不足1微米，再到1納米，低了三個(gè)量級！今天，絕大多數線(xiàn)寬在180納米到65納米或者45納米之間。只有極少數廠(chǎng)商（英特爾、IBM、臺積電和三星）有能力大規模生產(chǎn)20、22納米甚至14納米的線(xiàn)寬。
從經(jīng)濟的角度看，目前是20-30億美元建一座芯片廠(chǎng)，線(xiàn)條尺寸縮小到0.1微米時(shí)將猛增至100億美元，比一座核電站投資還大。由于花不起這筆錢(qián)，迫使越來(lái)越多的公司退出了芯片行業(yè)?？磥?lái)摩爾定律要再維持十年的壽命，也決非易事。
這場(chǎng)微型化競賽使得廠(chǎng)商面臨新的重大挑戰。“在過(guò)去的50年里，整個(gè)半導體行業(yè)做的是金屬氧化物晶體管，對固態(tài)硅片進(jìn)行蝕刻。但摩爾定律告訴我們總有達到晶體管極限——20納米左右——的那天，物理體積限制使得無(wú)法再提升晶體管電路的性能。”意法半導體有限公司執行副總裁、負責主板系統制造和技術(shù)研發(fā)的Joel Hartmann解釋道。“目前已經(jīng)找到了一些解決辦法，使得我們可以跨越20納米這個(gè)障礙，在限制閘極漏電的同時(shí)還能提升晶體管的表現水準。”言外之意，它將帶領(lǐng)我們超越摩爾定律。
持續增長(cháng)的全球需求
當然，走到這一步還需要時(shí)間。投產(chǎn)前的設計、研發(fā)、測試和檢定原型樣品，尤其是廠(chǎng)房設備的建造和準備，以及生產(chǎn)線(xiàn)調試和啟動(dòng)都非朝夕之事，所以明智的做法是未雨綢繆。英特爾用了15年的時(shí)間才實(shí)現22納米標準刻蝕程序的投產(chǎn)和量產(chǎn)。
伴隨這一新挑戰的，是持續增長(cháng)的市場(chǎng)需求。Gartner公司指出，2013年世界半導體的銷(xiāo)售增長(cháng)了5%，市場(chǎng)價(jià)值達到了3150億美元。半導體市場(chǎng)不再局限于電腦設備和消費性電子產(chǎn)品。手機的普及、汽車(chē)、保健等部門(mén)電子電路運用的增加，加上物聯(lián)網(wǎng)——到2020年5000億個(gè)各種用途的智能設備——世界經(jīng)濟中驚人龐大的部分都會(huì )涉及到半導體的使用。
為了滿(mǎn)足這些需求，半導體廠(chǎng)商們正在準備增加投資。每一代新工廠(chǎng)比前一代的成本要翻一番。到了2020年，一條生產(chǎn)線(xiàn)的建設成本恐怕需要100億美元。這使得那些大型集團不得不聯(lián)合起來(lái)，分擔必須的投資。“到目前為止，半導體廠(chǎng)商們已經(jīng)完成了特定技術(shù)分工；明天，恐怕只會(huì )有一個(gè)技術(shù)基地，一個(gè)微電子基地，這就跟汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的情形相類(lèi)似；各種參與者將以用途、市場(chǎng)和客戶(hù)來(lái)作區分，”IBM位于蘇黎世的高級功能材料研究實(shí)驗室的研究主管 Jean Fompeyrine預測道。
這個(gè)趨勢將對歐洲人產(chǎn)生很大的影響。2014年年初，為了給歐盟施壓，一群來(lái)自業(yè)內的董事會(huì )主席和首席執行官們創(chuàng )立了電子工業(yè)領(lǐng)導者集團（Electronics Leaders Group，FLG），促使其在該領(lǐng)域繼續采取大手筆的做法。他們宣稱(chēng)自己的目標是，讓歐盟在微電子領(lǐng)域成為一個(gè)主要的參與者，把現有的本土元器件產(chǎn)量在2020年之前翻一番，并創(chuàng )造25萬(wàn)個(gè)左右的相關(guān)工作機會(huì )?，F在的問(wèn)題是，得讓歐盟的法律更具靈活性，尤其是在獲取公共資金和撥款方面。這些企業(yè)家認為目前的法規限制頗多，他們正計劃在歐盟外的國家開(kāi)辦工廠(chǎng)，對方將提供補貼，并因此而產(chǎn)生顯著(zhù)的財務(wù)優(yōu)勢。
超越固體物理學(xué)極限
一個(gè)市場(chǎng)必須解決的問(wèn)題是：在未來(lái)的幾年時(shí)間里，制造商數量開(kāi)始集中，但市場(chǎng)對芯片的需求卻日益增長(cháng)，那么如何才能用足夠低廉的成本，生產(chǎn)、組裝出足夠多的、功能強大的芯片呢？
從技術(shù)的角度看，隨著(zhù)硅片上線(xiàn)路密度的增加，其復雜性和差錯率也將呈指數增長(cháng)，同時(shí)也使全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能。一旦芯片上線(xiàn)條的寬度達到納米（10-9米）數量級時(shí)，相當于只有幾個(gè)分子的大小，這種情況下材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，致使采用現行工藝的半導體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到它的盡頭了。
這涉及芯片制造的好幾個(gè)方面，首先是硅片，這種半導體材料經(jīng)熔煉、澆鑄成圓柱體，然后切割成片，每片僅幾百微米厚。復雜的集成電路蝕刻在這些片狀襯底上。這些襯底的直徑目前已從150毫米增加到了200-300毫米。直徑越大，一次蝕刻的電路就越多，每片的成本也就越低。目前正在研究把襯底直徑增加到450毫米的技術(shù)可行性。若是成功，將會(huì )導致成本下降近30%，但也意味著(zhù)所有的生產(chǎn)設備需要根據新規格做調整。幾年前450毫米硅片大規模生產(chǎn)線(xiàn)推出時(shí)業(yè)內那種熱情已經(jīng)很難再現，分析人士指出，新設備的投入在120億美元到140億美元之巨……
另一個(gè)阻礙是，現有的蝕刻設備一般無(wú)法精確進(jìn)行10納米以下的作業(yè)，即使能夠做到，成本也太大。正在研發(fā)中的EUV技術(shù)在未來(lái)必定會(huì )取代傳統蝕刻手段。該技術(shù)以接近1兆瓦的二氧化碳激光束，在真空狀態(tài)下轟擊錫目標，產(chǎn)生的13納米波長(cháng)X光，通過(guò)反射鏡捕捉后，將其引向硅襯底。“這是一種極其復雜的技術(shù)，我們尚未掌握如此強大的適用于大規模工業(yè)生產(chǎn)的激光。目前世界上只有荷蘭公司ASML正在試圖從工業(yè)角度掌握這項技術(shù)！” Joel Hartmann解釋。
高效的硅擴張戰略
硅器件的時(shí)代尚未完全結束，而且，摩爾定律也并未過(guò)時(shí)。在等待EUV技術(shù)實(shí)現的同時(shí)，廠(chǎng)商把賭注放在了摩爾定律本身的進(jìn)一步發(fā)展上（More Moore）；換句話(huà)說(shuō)，他們在想辦法把該定律設定的邊界推向前。
第一種選擇是全耗盡型絕緣層上硅（FD-SOI）。該技術(shù)由Soitec（絕緣硅芯片供應商）、意法半導體和電子與信息技術(shù)研究所（CEA-Leti）在法國聯(lián)合研發(fā)。它的原理是利用一個(gè)覆蓋以絕緣層的基片，提升晶體管的性能，抵消固體硅的寄生效應。“該技術(shù)生產(chǎn)的處理器，每瓦的運算次數增多，產(chǎn)生熱量減少，因而電池的使用時(shí)間更長(cháng)，”FD-SOI之父、意法半導體有限公司顛覆性技術(shù)項目主管Thomas Skotnicki解釋道。意法半導體目前正在對一系列的28納米FD-SOI電路進(jìn)行測試，希望到2015年年初能開(kāi)始大規模生產(chǎn)。這個(gè)技術(shù)也得到了三星的支持，后者決定在手機和與聯(lián)網(wǎng)設備的元器件中采用，看中的正是該技術(shù)的低能耗。“我們有一項技術(shù)，可以輕松把它進(jìn)一步縮小到10納米，而且還有提升空間，” Thomas Skotnicki聲稱(chēng)。
第二個(gè)選擇是鰭式場(chǎng)效晶體管（FinFETs），又叫三柵極（Tri-Gate）設計。它由英特爾公司研發(fā)，做法是在硅基上蝕刻只有幾個(gè)納米高的垂直晶體管，呈3D架構。這種晶體管更省表層空間，減少閘極漏電。不過(guò)，三柵極技術(shù)施行起來(lái)比FD-SOI更復雜，因此也要更昂貴。英特爾公司已在其幾處工廠(chǎng)的22納米光刻中使用了這種技術(shù)，目前，它還在測試14納米的可行性。臺灣企業(yè)臺積電正在測試20納米鰭式場(chǎng)效晶體管，預計今年晚些時(shí)候可以量產(chǎn)。
Jean Fompeyrine聲稱(chēng)，“為了超越摩爾定律，當前研究正沿四條線(xiàn)索前進(jìn)。首先是嘗試改變晶體管結構，就像FD-SOI和FinFETs技術(shù)；第二，用能耗更低的其他半導體材料代替硅，保持晶體管基本結構不變；第三是利用完全不同的物理原理對晶體管功能進(jìn)行替代，比如隧道場(chǎng)效應晶體管（TETs）或高性能固態(tài)硬盤(pán)（SSDs）；第四個(gè)是嘗試把晶體管垂直摞起來(lái)，但前提是對材料進(jìn)行調整以控制溫度。”
材料替代，從石墨烯到“量子點(diǎn)”
說(shuō)到材料替代，不同元器件類(lèi)型可以有不同選擇。最有名的是石墨烯，對光電產(chǎn)品有極大吸引力。這項技術(shù)造就了有機發(fā)光二極管（OLED），可用于超高清顯示屏。它還可用于太陽(yáng)能電池組和場(chǎng)效應晶體管（FET）。光子理論上可被用于處理器和存儲器間高速通訊，成本更低，但不幸的是，“這些新技術(shù)仍在紙上談兵階段，尚不能進(jìn)行技術(shù)轉移，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)部門(mén)還需要一些年頭，”勒諾柏全球微納米科技園區微納米技術(shù)部門(mén)主管Fabien Boulanger預測道。
真正的創(chuàng )新可能會(huì )以所謂“量子點(diǎn)”、量子井和納米顆粒的形式出現。巴黎高等物理化工學(xué)院（ESPCI ParisTech）的Benoit Dubertret研究團隊正嘗試沿著(zhù)麻省理工和加大伯克利分校20年前的做法，尋找用膠質(zhì)納米顆粒建造半導體的方法，尺寸在幾百到幾千個(gè)原子之間。他們用彩色玻璃中的納米顆粒，制造出性能獨特的材料。不同于以往利用固體物理學(xué)原理對硅柱進(jìn)行橫向切片，科學(xué)家們正試圖把顆粒進(jìn)行橫向連接而形成材料。
相關(guān)的應用包括光伏板陣、有機生物標記物、電能儲存、傳感器和平板屏幕，“量子點(diǎn)材料第一次表明，物理和電子屬性會(huì )與材料的空間維度相關(guān)，”Benoit Dubertret滿(mǎn)腔熱情地說(shuō)道。“它們有巨大潛力，利用納米顆粒用基礎材料，我們可以設計出神奇的產(chǎn)品。”
量子點(diǎn)的另一個(gè)優(yōu)勢對實(shí)驗環(huán)境毫無(wú)挑剔。物理學(xué)發(fā)明家、連環(huán)創(chuàng )業(yè)者Jacques Lewiner表示，“再也不用把錢(qián)花在那些白色實(shí)驗室和廠(chǎng)房上。”他還補充，“這是純粹的實(shí)驗室樂(lè )趣！” Jacques Lewiner預計這個(gè)市場(chǎng)將在兩年里興起，之后將呈快速增長(cháng)。
然而，要真正攤銷(xiāo)掉人們在半個(gè)多世紀里花在半導體產(chǎn)業(yè)基礎設施上的成本，至少還要幾十年。
移動(dòng)設備訪(fǎng)問(wèn)
