半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，未來(lái)十年路線圖
2023-10-26 09:45
半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展離不開行業(yè)的共識(shí)，而行業(yè)的共識(shí)往往體現(xiàn)在行業(yè)所公認(rèn)的路線圖里面。在上世紀(jì)末，美國(guó)的半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)SIA聯(lián)合歐洲和亞洲的半導(dǎo)體行業(yè)，開始發(fā)布大名鼎鼎的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）。ITRS主要的貢獻(xiàn)是通過協(xié)調(diào)全球的半導(dǎo)體行業(yè)，發(fā)布了在21世紀(jì)初十多年中的芯片技術(shù)路線圖，包括特征尺寸，功率密度，邏輯門密度等等。到了2015年，隨著傳統(tǒng)基于2D CMOS特征尺寸縮小的摩爾定律的發(fā)展到了尾聲，ITRS也不再更新，因此2015年版本就是ITRS的最后一個(gè)版本。在當(dāng)時(shí)，作為ITRS的牽頭方之一，SIA發(fā)表聲明將會(huì)在未來(lái)合適的時(shí)候發(fā)布新的半導(dǎo)體路線圖。而在上周，SIA和SRC聯(lián)合發(fā)布了微電子和高級(jí)封裝路線圖，作為ITRS的后繼者。
MAPT路線圖主要針對(duì)未來(lái)十年左右(2023－2035)的時(shí)間范圍，首先分析了時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)于芯片行業(yè)的應(yīng)用需求，包括主要驅(qū)動(dòng)應(yīng)用、能效比需求以及安全需求，并且根據(jù)這些需求，分別分析了半導(dǎo)體各細(xì)分行業(yè)（數(shù)字處理、高級(jí)封裝和異構(gòu)繼承、模擬和混合信號(hào)半導(dǎo)體、硅光技術(shù)和MEMS、半導(dǎo)體工藝、設(shè)計(jì)建模和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、半導(dǎo)體材料以及供應(yīng)鏈）需要所對(duì)應(yīng)的技術(shù)進(jìn)步來(lái)滿足這些需求。
首先，MAPT路線圖分析了未來(lái)十年內(nèi)預(yù)期對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)最重要的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，其中最重要的包括：
•數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算
•汽車電子
•物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算
•移動(dòng)通信
•生物計(jì)算
在MAPT路線圖中，分別列出了不同的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用主要的瓶頸、需要的專門技術(shù)以及最關(guān)鍵的指標(biāo)。從分析中，我們可以看到，計(jì)算和存儲(chǔ)瓶頸將會(huì)成為未來(lái)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中最關(guān)鍵的瓶頸，另外互聯(lián)帶寬也在幾個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中成為瓶頸；而在核心指標(biāo)方面，最關(guān)鍵的指標(biāo)基本都指向了性能和功耗。因此，從驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的角度，未來(lái)十多年間半導(dǎo)體芯片行業(yè)進(jìn)步的方向也就很明確了：通過進(jìn)一步提升計(jì)算、內(nèi)存和數(shù)據(jù)互聯(lián)性能以滿足幾大重要驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的需求，同時(shí)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于功耗的要求。由于性能和功耗同時(shí)都很重要，能效比這一指標(biāo)可望會(huì)成為未來(lái)十年間半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域最關(guān)鍵的指標(biāo)——事實(shí)上，在MAPT路線圖中，“能效比”這個(gè)詞就被重復(fù)了接近120次，可見其重要程度。
數(shù)字芯片：邏輯密度增速減慢，架構(gòu)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)步
數(shù)字芯片向來(lái)是半導(dǎo)體芯片中最核心的品類，其出貨量大，對(duì)于半導(dǎo)體芯片工藝的依賴度高，往往是驅(qū)動(dòng)整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的核心芯片品類；因此在在MAPT路線圖中，對(duì)于數(shù)字芯片相關(guān)的路線圖分析也是最詳實(shí)的。
在關(guān)于數(shù)字芯片的路線圖中，我們首先看到了和以往摩爾定律所預(yù)測(cè)的截然不同的數(shù)字。MAPT路線圖預(yù)計(jì)，未來(lái)十年，晶體管密度將從目前的200億每平方厘米增加到800億每平方厘米，即10年增加4倍。在過去，摩爾定律預(yù)測(cè)每18個(gè)月晶體管密度翻倍，因此10年間晶體管密度應(yīng)該增加64倍以上，這樣來(lái)看根據(jù)MAPT的路線圖預(yù)測(cè)，未來(lái)晶體管密度的增長(zhǎng)速度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于之前摩爾定律的速度——未來(lái)十年的晶體管密度上升速度，僅僅相當(dāng)于過去三年的水平。
而如果我們仔細(xì)看最近幾年的半導(dǎo)體工藝演進(jìn)的話，我們可以發(fā)現(xiàn)事實(shí)上晶體管性能（即門延遲）的改善甚至更落后于之前摩爾定律所預(yù)測(cè)的每18個(gè)月提升40% － 目前來(lái)看每代工藝演進(jìn)在集成度翻倍的同時(shí)，晶體管性能僅僅提升10－20%之間，而在未來(lái)這個(gè)數(shù)字甚至?xí) Ｒ虼耍瑥腗APT路線圖中，我們可以大概估算出，未來(lái)十年中，隨著晶體管集成度翻四倍，晶體管的性能提升大約在20－30%左右。換句話說，數(shù)字芯片性能提升基本不能依靠晶體管性能提升，而是要依靠其他的方法。
在MAPT中，數(shù)字邏輯未來(lái)的進(jìn)步主要靠架構(gòu)上的進(jìn)步。MAPT提出主要的進(jìn)步方向包括：
•進(jìn)一步提升集成度：由于半導(dǎo)體工藝進(jìn)步在未來(lái)十年中對(duì)于邏輯密度的提升貢獻(xiàn)有限，為了進(jìn)一步提升集成度，主要需要依靠高級(jí)封裝技術(shù)。高級(jí)封裝技術(shù)可以用不同的堆疊方式（2.5D以及3D）把不同的芯片粒（chiplet）集成在同一個(gè)封裝里并且可以解決先進(jìn)工藝的良率問題，因此可望在未來(lái)中高端芯片中得到更廣泛的應(yīng)用。
•降低數(shù)據(jù)移動(dòng)開銷：隨著未來(lái)芯片集成度越來(lái)愈高（即邏輯越來(lái)越復(fù)雜），數(shù)據(jù)互聯(lián)的開銷將會(huì)成為芯片性能和能效比的主要瓶頸；例如，根據(jù)之前的研究，在10nm節(jié)點(diǎn)，高復(fù)雜度的SoC中數(shù)據(jù)互聯(lián)的功耗開銷已經(jīng)占到整個(gè)芯片功耗的90%左右，而未來(lái)隨著復(fù)雜度和集成度進(jìn)一步提升，數(shù)據(jù)互聯(lián)將會(huì)越來(lái)越成為瓶頸。為了解決這個(gè)問題，一方面需要使用高級(jí)封裝技術(shù)——例如，通過3D堆疊，互聯(lián)的物理距離會(huì)大大降低（因?yàn)榭梢源怪弊呔€），從而降低功耗；另一個(gè)重點(diǎn)則是通過新的架構(gòu)，例如近內(nèi)存計(jì)算和存內(nèi)計(jì)算，來(lái)降低開銷；最后，模擬和混合信號(hào)電路的創(chuàng)新也能降低數(shù)據(jù)移動(dòng)的開銷。
•使用更多的專用設(shè)計(jì)架構(gòu)（domain-specific design）來(lái)取代通用設(shè)計(jì)——例如使用AI加速器來(lái)進(jìn)行人工智能相關(guān)的計(jì)算（而不是使用通用架構(gòu)例如CPU和常規(guī)GPU），這樣做可以大大改善能效比。當(dāng)使用專用設(shè)計(jì)的架構(gòu)時(shí)，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)就將成為一個(gè)核心概念，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)專用架構(gòu)時(shí)，需要考慮軟件和應(yīng)用層的實(shí)際需求（例如對(duì)于AI加速器來(lái)說，就是專用數(shù)制和特定算符的支持），從而實(shí)現(xiàn)高效率。另外，使用專用架構(gòu)時(shí)，可以使用芯片粒技術(shù)，把不同的架構(gòu)使用多個(gè)芯片粒實(shí)現(xiàn)，并且使用高級(jí)封裝技術(shù)集成在一起。
從以上分析可以看出，MAPT對(duì)于數(shù)字邏輯電路的進(jìn)一步演進(jìn)是以高級(jí)封裝技術(shù)為主線，使用基于高級(jí)封裝技術(shù)進(jìn)一步提升集成度、降低數(shù)據(jù)移動(dòng)開銷并且實(shí)現(xiàn)專用架構(gòu)設(shè)計(jì)的集成，從而讓芯片性能和能效比在未來(lái)十年中繼續(xù)摩爾定律時(shí)代的指數(shù)級(jí)提升。
高級(jí)封裝技術(shù)：技術(shù)快速演進(jìn)成為行業(yè)支柱
正如MAPT在數(shù)字邏輯章節(jié)的分析，高級(jí)封裝將成為未來(lái)半導(dǎo)體的主旋律。
例如，在未來(lái)五年中，一個(gè)系統(tǒng)中芯片粒的數(shù)量將從今天的4-10提升到10-30（提升3倍），預(yù)計(jì)在十年的時(shí)間內(nèi)芯片粒數(shù)量會(huì)提升更多；在內(nèi)存角度，芯片粒將會(huì)實(shí)現(xiàn)新的內(nèi)存架構(gòu)，從而改善內(nèi)存墻問題，到時(shí)候希望內(nèi)存的容量、速度和功耗將不再成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸；在互聯(lián)方面，未來(lái)10年高級(jí)封裝的互聯(lián)線數(shù)量將從今天的1000-2000上升到8000，另外使用新的IO接口技術(shù)（例如PAM8，以及高密度WDM光學(xué)互聯(lián)）來(lái)進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)帶寬并降低數(shù)據(jù)移動(dòng)開銷。
這些需求具體對(duì)應(yīng)到高級(jí)封裝的技術(shù)演進(jìn)，MAPT在高級(jí)封裝章節(jié)提出了未來(lái)十年的技術(shù)演進(jìn)方向。
我們認(rèn)為，在高級(jí)封裝未來(lái)十年中，最關(guān)鍵的技術(shù)演進(jìn)包括：
•進(jìn)一步提升IO密度：將芯片粒之間的bump（焊球）間距從100微米降低到25微米，從而將IO密度提升16倍。
•進(jìn)一步提升IO互聯(lián)線密度：這里的互聯(lián)線密度包括在晶圓正面將今天的2-3層線間距大于1微米的頂層銅互聯(lián)發(fā)展到7層線間距小于1微米的銅互聯(lián)，晶圓背面的RDL層互聯(lián)從一層上升到三層互聯(lián)并且將線間距從10微米降低到2微米；以及在晶圓間的互聯(lián)線間距從5微米降低到1微米，即互聯(lián)線密度提升25倍。
•革新集成鍵合技術(shù)：從目前基于焊接（solder）的鍵合集成技術(shù)逐漸改進(jìn)到die-to-wafer以及die-to-die的鍵合。新的集成鍵合技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)高密度IO的核心技術(shù)。
從高級(jí)封裝技術(shù)的演進(jìn)路線圖，我們可以看到摩爾定律的指數(shù)規(guī)律正在高級(jí)封裝領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)生。在未來(lái)十年中，高級(jí)封裝的IO密度將預(yù)計(jì)會(huì)提升16倍，IO互聯(lián)密度提升25倍，這大約是每2.2-2.5年翻倍的規(guī)律，這和之前摩爾定律預(yù)計(jì)每1.5年芯片晶體管密度翻倍的規(guī)律相近，只是翻倍時(shí)間從1.5年變成了2.5年。
模擬和混合信號(hào)：無(wú)線通信和功率電子的核心
模擬和混合信號(hào)電路在未來(lái)十年的半導(dǎo)體路線圖中也扮演了重要角色，因?yàn)槟M和混合信號(hào)電路仍將是重要應(yīng)用的賦能技術(shù)。
模擬和混合信號(hào)電路的第一個(gè)核心應(yīng)用是無(wú)線通信。預(yù)計(jì)在未來(lái)10年，無(wú)線通信對(duì)于數(shù)據(jù)率的需求仍將持續(xù)上升，而為了支持更高的數(shù)據(jù)率，需要在更高的載波頻率使用更高的帶寬，同時(shí)需要電路的性能（線性度、噪聲系數(shù)等）持續(xù)演進(jìn)。
具體到無(wú)線通信模擬混合信號(hào)電路路線圖中，我們可以看到一些核心的指標(biāo)演進(jìn)：
•載波頻率從今天的低于40GHz演進(jìn)到175GHz，同時(shí)帶寬從今天的100MHz上升到5GHz
•低噪聲放大器系數(shù)保持在4 dB附近，但是工作頻率從最高支持90GHz上升到250 GHz
•功率放大器的效率保持30%，但是支持的頻率從90GHz上升到250GHz
•天線陣列的復(fù)雜度大大提升，從目前的64單元提升到1024單元
除了無(wú)線通信之外，另一個(gè)模擬和混合信號(hào)的賦能領(lǐng)域是功率電子。未來(lái)十年，功率電子應(yīng)用預(yù)計(jì)越來(lái)越多：人工智能的進(jìn)一步普及需要更多數(shù)據(jù)中心，而數(shù)據(jù)中心需要高效率供電模塊以確保總體能效比；新能源汽車更進(jìn)一步得到使用，需要更高效率的功率芯片；太陽(yáng)能等新能源變得越來(lái)越主流，也需要功率電子的配合。
在路線圖中，我們可以看到GaN和SiC功率電子芯片都會(huì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。對(duì)于SiC來(lái)說，預(yù)計(jì)未來(lái)10-15年，支持的電壓將從今天的3.3kV拓展到15-25kV，從而為新能源應(yīng)用提供支持，同時(shí)也進(jìn)一步增加器件載流子移動(dòng)速率以提升器件的性能（支持更高的開關(guān)頻率）；而GaN也在提供高器件性能和開關(guān)頻率的同時(shí)增加對(duì)于高電壓的支持，從今天的650V提升到3.3kV，而除此之外另一個(gè)重要的演進(jìn)方向是進(jìn)一步提升GaN對(duì)于硅基底（GaN on Silicon）的支持，在10年后預(yù)計(jì)200mm GaN-on-silicon晶圓將成為標(biāo)準(zhǔn)配置，從而進(jìn)一步降低GaN的成本并且有機(jī)會(huì)支持更方便的高級(jí)封裝集成。
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