“虚拟”摩尔定律时代来临？

卢超群是台湾半导体产业协会的理事长，他十分期待即将到来的“虚拟”摩尔定律时代，他认为芯片行业有望再次迎来增长和盈利时期。

图1：台湾半导体产业协会的理事长卢超群。

　　“半导体行业将迎来又一个30年的增长期。”卢超群在接受EE Times采访时预测，“我们即将见证‘等效的’1nm。摩尔定律将成为‘虚拟的’摩尔定律。”

　　半导体行业需要再次腾飞。从1995年到2008年，这个领域呈现出7%的复合年增长率(CAGR)，给股东的总回报接近整个股票市场的三倍，管理咨询机构麦肯锡在一份2015年的报告中指出。现在，事情有了很大的不同。

　　虽然一些半导体公司还在继续成长和吞并弱小的竞争对手，但整体的增长和收入一直在下降。

　　卢超群认为，半导体行业将摆脱年收入约4000亿美元的停滞期，并在1nm时实现1万亿美元的年收入。在他撰写，并在11月7日于日本富山市举行的IEEE亚洲固态电路会议上演讲的“新的硅片方式”论文中，卢超群描述了突破硅片上传统线性缩放限制的新时代。

　　线性缩放很明显已经到达了其物理极限。“人们经常说在从事10nm工艺模式，但你发现没有一根线的宽度达到10nm这个等级。”卢超群指出。

　　摆脱二维平面

　　这正是技术发展走非线性路线的原因。2011年，Intel公司发布了三栅极(Tri-gate)技术，率先从平面开发的片上晶体管转向三维结构。采用3D结构后，即使是0.85倍的缩放也会导致晶体管密度更像是两个维度的0.5倍缩放，卢超群指出。

　　其它公司也跟随这一趋势。东芝用48个层搭建了3D NAND，这种存储器已经用在苹果的iPhone 7上。三星更进一步，创建了64层的闪存器件。这种技术水平只有32nm，但实际上等效于13nm的效果，卢超群表示。

　　“现在我们处于采用垂直晶体管的硅2.0时代，缩放参数在0.8至0.85之间。”他指出，“硅3.0就像是一种3D场景。我们发现越来越多的人在往那儿去。”

　　正如卢超群的论文中描述的那样，他的理论开始于硅4.0。在当前3.0基础上的技术进步催生了许多新的应用，比如增强现实、虚拟现实和机器智能，他表示。下一个门槛是卢超群所说的异质集成，或通过集成式扇出(InFO)等技术实现硅和非硅材料的整合。

　　向InFO和更先进的技术发展

　　InFO是台积电(TSMC)公司开发的一种将绑定焊盘放在硅片边缘的封装技术，因此不再需要互连基板。InFO可以使封装厚度减小20%，速度提高20%，热性能提高10%。 英飞凌在2008年将这种技术发展成为嵌入式晶圆级球栅阵列(eWLB)，用于削减成本和封装厚度，同时提升元件集成度。然而，在台积电推出商用化InFO之前，良率问题一直阻碍着这种新技术的普及。

图2：InFO技术(来源：台积电)。

　　“这种新的InFO结构将引领异质集成进入硅4.0时代。”卢超群表示，“另外一个创新是直通互连通孔(TIV)，就像是将裸片连接至外部的支柱。这样在硅片外部就同时有了水平和垂直互连。这是异质集成继续发展的关键。过去由于没有InFO技术因此无法实现TIV。”

　　借助InFO技术，硅片可以直接连接诸如透镜、传感器或致动器等目前嵌入在系统中但仍未做到微型化的部件，卢超群指出。

　　“这就是使用InFO实现的硅与非硅的异质集成。”他表示，“目前所有这些元件都安装在印制板上，需要消耗很多功率。现在我们离最优的功耗还有5个数量级。”

　　卢超群从这里看到了代工厂、硅片设计师和系统公司开展合作的新机会。硅片是一个3000亿美元的行业，但消费电子是一个高达1.6万亿的行业，他指出。

　　系统制造商需要异质集成来创建体积更小、功耗更低的器件，卢超群表示。

　　“到这些新技术的过渡应该非常平滑，因为我们距离摩尔定律的终结还有两代。”卢超群表示，“Tri-gate、3D NAND和InFO的推出非常顺利。硅片将缩放到5nm，并且届时能够达到等效于1nm的性能。”

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