從摩爾定律說(shuō)起

摩爾定律（Moore's law），不知道第一個(gè)翻譯成摩爾定律的是何人，law在牛津詞典中有法律、定律、規(guī)律等釋義。在此處我認(rèn)為稱它為“摩爾規(guī)律”更合適，因?yàn)檫@本來(lái)就是英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談，并非自然科學(xué)定律。

Moore’s law，來(lái)源：https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count

與其他物理科學(xué)定律--焦耳定律，庫(kù)倫定律，開(kāi)普勒和牛頓三定律等相比，聽(tīng)起來(lái)差不多，但實(shí)際完全不在一個(gè)層面上。這些物理學(xué)定律極大的改變了世界，改變了人類的生活，而摩爾即使不提出這個(gè)規(guī)律，集成電路依然會(huì)向前飛速發(fā)展，因?yàn)樗谋举|(zhì)是預(yù)測(cè)，而非約束。

從市場(chǎng)需求和半導(dǎo)體本身的發(fā)展來(lái)看，目前還不能稱之為夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，尤其在國(guó)內(nèi)。這個(gè)提問(wèn)是14年1月，到現(xiàn)在21年1月，整整七年過(guò)去了，依照現(xiàn)有的發(fā)展空間以及市場(chǎng)需求，未來(lái)7年依然會(huì)平穩(wěn)發(fā)展。

國(guó)產(chǎn)替代化和市場(chǎng)需求

中國(guó)多年芯片進(jìn)口總額超過(guò)了石油進(jìn)口。19年中國(guó)芯片進(jìn)口總額約3000億美元，而石油進(jìn)口總額約2400億美元。操作系統(tǒng)、高端光刻機(jī)仍被國(guó)外公司壟斷，90%以上傳感器來(lái)自國(guó)外。[1]

從大型的手機(jī)SoC來(lái)看， 手機(jī)終端商如果使用高通手機(jī)芯片，除了要支付芯片購(gòu)買費(fèi)用外，還需向高通繳納專利使用費(fèi)。即使手機(jī)終端商不使用高通芯片，仍需要向高通定期報(bào)備手機(jī)出貨情況，并繳納專利費(fèi)。高額的進(jìn)口費(fèi)用，也造成了每年2000多億的貿(mào)易逆差。芯片的國(guó)產(chǎn)替代化勢(shì)在必行，這也是國(guó)家層面的戰(zhàn)略。

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從中小型的芯片或者傳感器來(lái)看，國(guó)內(nèi)依然有巨大的市場(chǎng)。目前也有很多公司在做，比如電源管理芯片，MEMS芯片，MCU等。最近幾年新成立的優(yōu)秀IC公司也不少。

半導(dǎo)體行業(yè)從來(lái)都不是獨(dú)立發(fā)展的，而是依托新的市場(chǎng)需求。除了題主所說(shuō)的可穿戴設(shè)備，其余還有5G芯片，AIoT芯片，自動(dòng)駕駛芯片，對(duì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)都是新的機(jī)遇。如果說(shuō)半導(dǎo)體算是夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)的話，那么很多其他傳統(tǒng)行業(yè)可以說(shuō)是日落產(chǎn)業(yè)了。

當(dāng)下芯片技術(shù)的發(fā)展

從現(xiàn)在基于二值邏輯的半導(dǎo)體材料芯片來(lái)看，芯片依然會(huì)從以下幾個(gè)方面發(fā)展：

工藝、材料、架構(gòu)、異構(gòu)、封裝、Chiplet

從突破性的技術(shù)來(lái)看，有以下兩個(gè)方面：

量子芯片、碳基芯片

工藝

平面晶體管時(shí)代，大家認(rèn)為22nm就是極限，但是FinFET的出現(xiàn)為摩爾規(guī)律的發(fā)展續(xù)命。14年，很多人認(rèn)為7nm是極限，但如今5nm已經(jīng)量產(chǎn)。

3nm已經(jīng)在研發(fā)的路上了，目前主要是臺(tái)積電和三星兩家Foundry。三星的3nm工藝會(huì)使用環(huán)繞柵極晶體管(GAA)技術(shù)，而不是現(xiàn)在的FinFET，新的技術(shù)可以讓芯片面積減少35%，功耗下降約50%，與5nm FinFET工藝相比，同樣功耗情況下性能提升33%。

三代晶體管的發(fā)展

GAA全能門與FinFET的不同之處在于，GAA設(shè)計(jì)圍繞著通道的四個(gè)面周圍有柵極，從而確保了減少漏電壓并且改善了對(duì)通道的控制，這是縮小工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)的基本步驟，使用更高效的晶體管設(shè)計(jì)，再加上更小的節(jié)點(diǎn)尺寸，和5nm FinFET工藝相比能實(shí)現(xiàn)更好的能耗比。

而臺(tái)積電依然采用FinFET，預(yù)計(jì)2022年下半年臺(tái)積電3nm工藝就會(huì)投產(chǎn)。首批客戶包括蘋果，高通、英特爾、賽靈思、英偉達(dá)、AMD等。

材料

半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)過(guò)近七十年的發(fā)展，半導(dǎo)體材料經(jīng)歷了三次明顯的換代和發(fā)展。第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅、鍺元素等單質(zhì)半導(dǎo)體材料；第二代半導(dǎo)體材料主要是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵、銻化銦；第三代半導(dǎo)體材料主要分為碳化硅SiC和氮化鎵GaN，相比于第一、二代半導(dǎo)體，其具有更高的禁帶寬度、高擊穿電壓、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，在高溫、高壓、高功率和高頻領(lǐng)域?qū)⑻娲皟纱雽?dǎo)體材料。

碳化硅（SiC）相比于硅基，碳化硅擁有更高的禁帶寬度、電導(dǎo)率等優(yōu)良特性，更適合應(yīng)用在高功率和高頻高速領(lǐng)域，如新能源汽車和 5G 射頻器件領(lǐng)域。

隨著芯片在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，半導(dǎo)體材料也在隨之發(fā)展。

架構(gòu)

架構(gòu)對(duì)一個(gè)芯片的性能來(lái)說(shuō)也是至關(guān)重要的--以Intel最新發(fā)布的第11代酷睿處理器Rocket Lake-S為例，新的架構(gòu)為其帶來(lái)了約 19% 的 IPC （每時(shí)鐘指令數(shù)）提升，以及更好的 AI 性能。

Rocket Lake-S支持全新的500系列芯片組（可享用8×DMI和USB 3.2 Gen 2×2），并兼容原有的400系列芯片組主板，全新B560芯片組主板則開(kāi)放了內(nèi)存超頻；其他平臺(tái)特性方面，Rocket Lake-S也對(duì)內(nèi)存控制器進(jìn)行了改良、默認(rèn)支持DDR4-3200，并提供超過(guò)20條PCIe 4.0直連通道以支持高性能顯卡及固態(tài)硬盤。

Rocket Lake-S 是英特爾繼續(xù)「打磨」 14nm 的產(chǎn)物，制程潛力基本已經(jīng)被挖掘殆盡，只能靠新的 Cypress Cove 內(nèi)核來(lái)提升性能。

異構(gòu)整合

廣義而言，就是將兩種不同的芯片，例如記憶體＋邏輯芯片、光電＋電子元件等，透過(guò)封裝、3D 堆疊等技術(shù)整合在一起。換句話說(shuō)，將兩種不同制程、不同性質(zhì)的芯片整合在一起，都可稱為是異構(gòu)整合。
因?yàn)閼?yīng)用市場(chǎng)更加的多元，每項(xiàng)產(chǎn)品的成本、性能和目標(biāo)族群都不同，因此所需的異構(gòu)整合技術(shù)也不盡相同，市場(chǎng)分眾化趨勢(shì)逐漸浮現(xiàn)。為此，IC 代工、制造及半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)者紛紛投入異構(gòu)整合發(fā)展，2.5D、3D 封裝、Chiplets 等現(xiàn)今熱門的封裝技術(shù)，便是基于異構(gòu)整合的想法，如雨后春筍般浮現(xiàn)。

封裝

封裝并不能直接提高芯片的性能，但是先進(jìn)的3D封裝工藝相較于傳統(tǒng)的2D工藝有很多優(yōu)勢(shì)：

3D封裝更有效的利用了硅片的有效區(qū)域

3D設(shè)計(jì)替代單芯片封裝縮小了器件尺寸、減輕了重量

3D封裝的die直接互連，互連線長(zhǎng)度顯著縮短，信號(hào)傳輸?shù)酶烨宜芨蓴_更小

臺(tái)積電的Wafer-on-Wafer(WoW) 3D芯片封裝工藝，是通過(guò)TSV硅穿孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)了真正的3D封裝，和Intel的Foreros 3D封裝類似，能把多個(gè)芯片像蓋房子那樣一層層堆疊起來(lái)，甚至能把不同工藝、結(jié)構(gòu)和用途的芯片封在一起。

3D封裝示意圖

Chiplet

Chiplet技術(shù)就像拼圖一樣，把小芯片組成大芯片。
使用Chiplets 有三大好處。因?yàn)橄冗M(jìn)制程成本非常高昂，特別是模擬電路、I/O 等愈來(lái)愈難以隨著制程技術(shù)縮小，而Chiplets 是將電路分割成獨(dú)立的小芯片，并各自強(qiáng)化功能、制程技術(shù)及尺寸，最后整合在一起，以克服制程難以微縮的挑戰(zhàn)。

此外，基于Chiplets 還可以使用現(xiàn)有的成熟芯片降低開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證成本。[3]

從上面的分析也可以看出來(lái)，異構(gòu)-chiplet-封裝也是相輔相成，共同發(fā)展的。

從突破性的技術(shù)來(lái)看，主要有量子芯片和碳基芯片。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，這兩種技術(shù)目前還處在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，距離商用尚遠(yuǎn)，從我目前掌握的信息來(lái)看，順利的話，量子芯片要十年甚至更久，碳基芯片最快也要五年左右。

溫戈說(shuō)：

有的人在為半導(dǎo)體是否會(huì)成為夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)而擔(dān)心，卻也有人在問(wèn)怎樣才能不錯(cuò)過(guò)半導(dǎo)體的風(fēng)口。作為個(gè)人，不如踏踏實(shí)實(shí)的走好每一步，杞人憂天和投機(jī)取巧都是不可取的。

不要以為摩爾規(guī)律失效，芯片就走到盡頭。人們?yōu)榱藢?duì)抗摩爾定律的失效，不斷在研發(fā)新技術(shù)，新材料為摩爾定律續(xù)命，同時(shí)也在不同的方向進(jìn)行探索。

芯片作為一個(gè)基于多門學(xué)科并包含眾多高精尖技術(shù)的人造物巔峰產(chǎn)品，也決定了它的發(fā)展也是多方向的，半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展對(duì)我們國(guó)家或者人類來(lái)說(shuō)意義深遠(yuǎn)。

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