全球半導體技術發(fā)展路線圖
[導讀]編譯：工業(yè)和信息化部國際經(jīng)濟技術合作中心王超張強
一、半導體產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境
半導體產(chǎn)業(yè)誕生于上世紀70年代，當時主要受兩大因素驅(qū)動：一是為計算機行業(yè)提供更符合成本效益的存儲器；二是為滿足企業(yè)開發(fā)具備特
編譯：工業(yè)和信息化部國際經(jīng)濟技術合作中心王超張強
一、半導體產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境
半導體產(chǎn)業(yè)誕生于上世紀70年代，當時主要受兩大因素驅(qū)動：一是為計算機行業(yè)提供更符合成本效益的存儲器；二是為滿足企業(yè)開發(fā)具備特定功能的新產(chǎn)品而快速生產(chǎn)的專用集成電路。
到了80年代，系統(tǒng)規(guī)范牢牢地掌握在系統(tǒng)集成商手中。存儲器件每3年更新一次半導體技術，并隨即被邏輯器件制造商采用。
在90年代，邏輯器件集成電路制造商加速引進新技術，以每2年一代的速度更新，緊跟在內(nèi)存廠商之后。技術進步和產(chǎn)品性能增強之間不尋常的強相關性，使得相當一部分系統(tǒng)性能和利潤的控制權轉(zhuǎn)至集成電路（IC）制造商中。他們利用這種力量的新平衡，使整個半導體行業(yè)收入在此期間年均增速達到17%。
21世紀的前十年，半導體行業(yè)全新的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)形成：
一是每2年更新一代的半導體技術，導致集成電路和數(shù)以百萬計的晶體管得以高效率、低成本地生產(chǎn)，從而在一個芯片上或同一封裝中，可以以較低的成本整合極為復雜的系統(tǒng)。此外，封裝技術的進步使得我們可以在同一封裝中放置多個芯片。這類器件被定義為系統(tǒng)級芯片（systemonchip，SOC）和系統(tǒng)級封裝（systeminpackage，SIP）。
二是集成電路晶圓代工商能夠重新以非常有吸引力的成本提供“新一代專用集成電路”，這催生出一個非常有利可圖的行業(yè)——集成電路設計。
三是集成電路高端設備的進步帶動了相鄰技術領域的發(fā)展，大大降低了平板顯示器、微機電系統(tǒng)傳感器、無線電設備和無源器件等設備的成本。在此條件下，系統(tǒng)集成商再次控制了系統(tǒng)設計和產(chǎn)品集成。
四是互聯(lián)網(wǎng)應用和移動智能終端的崛起，帶動了光纖電纜的廣泛部署和多種無線技術的發(fā)展，實現(xiàn)前所未有的全球移動互聯(lián)。這個生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)造了“物聯(lián)網(wǎng)”這一新興的市場，而創(chuàng)新的產(chǎn)品制造商、電信公司、數(shù)據(jù)和信息分銷商以及內(nèi)容提供商正在爭奪該市場的主導權。
半導體是上述所有應用的基石，所有的創(chuàng)新離不開半導體產(chǎn)業(yè)的支持。
二、全球半導體技術發(fā)展路線
上世紀60年代后期，硅柵自對準工藝的發(fā)明奠定了半導體規(guī)格的根基。摩爾1965年提出的晶體管每兩年一次的更新?lián)Q代的“摩爾定律”，以及丹納德1975年提出的“丹納德定律”，促進了半導體產(chǎn)業(yè)的成長，一直到21世紀初，這是傳統(tǒng)幾何尺寸的按比例縮?。–lassicalGeometricallyDrivenScaling）時代。進入等效按比例縮?。‥quivalentScaling）時代的基礎是應變硅、高介電金屬閘極、多柵晶體管、化合物半導體等技術，這些技術的實現(xiàn)支持了過去十年半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并將持續(xù)支持未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
（一）器件
信息處理技術正在推動半導體產(chǎn)業(yè)進入更寬廣的應用領域，器件成本和性能將繼續(xù)與互補金屬氧化物半導體（ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorTransistor，CMOS）的維度和功能擴展密切相關。
應變硅、高介電金屬閘極、多柵晶體管現(xiàn)已廣泛應用于集成電路的制造，進一步提升器件性能的重點將在III-V族元素材料和鍺。與硅器件相比，這些材料將使器件具有更高的遷移率。為了利用完善的硅平臺的優(yōu)勢，預計新的高遷移率材料將在硅基質(zhì)上外延附生。
2DScaling最終將在2013國際半導體技術路線圖（ITRS）期間達到其基本限制，無論是邏輯器件還是存儲器件正在探索如何使用垂直維度（3D）。3D設備架構和低功率器件的結合將開啟“3D能耗規(guī)模化（PowerScaling）”時代，單位面積上晶體管數(shù)量的增加將最終通過多層堆疊晶體管來實現(xiàn)。
遺憾的是，互連方面沒有新的突破，因為尚無可行的材料具有比銅更低的電阻率。然而，處理碳納米管、石墨烯組合物等無邊包裹材料（edgelesswrappedmaterials）方面的進展為“彈道導體”（ballisticconductor）的發(fā)展提供基礎保障，這可能將在未來十年內(nèi)出現(xiàn)。
多芯片的三維封裝對于減少互聯(lián)電阻提供了可能的途徑，主要是通過增加導線截面（垂直）和減少每個互連路徑的長度。
然而，CMOS或目前正在研究的等效裝置（equivalentdevice）的橫向維度擴展最終將達到極限。未來半導體產(chǎn)品新機會在于：一是通過新技術的異構集成，擴展CMOS平臺的功能；二是開發(fā)支持新一代信息處理范式的設備。
一、半導體產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境
半導體產(chǎn)業(yè)誕生于上世紀70年代，當時主要受兩大因素驅(qū)動：一是為計算機行業(yè)提供更符合成本效益的存儲器；二是為滿足企業(yè)開發(fā)具備特定功能的新產(chǎn)品而快速生產(chǎn)的專用集成電路。
到了80年代，系統(tǒng)規(guī)范牢牢地掌握在系統(tǒng)集成商手中。存儲器件每3年更新一次半導體技術，并隨即被邏輯器件制造商采用。
在90年代，邏輯器件集成電路制造商加速引進新技術，以每2年一代的速度更新，緊跟在內(nèi)存廠商之后。技術進步和產(chǎn)品性能增強之間不尋常的強相關性，使得相當一部分系統(tǒng)性能和利潤的控制權轉(zhuǎn)至集成電路（IC）制造商中。他們利用這種力量的新平衡，使整個半導體行業(yè)收入在此期間年均增速達到17%。
21世紀的前十年，半導體行業(yè)全新的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)形成：
一是每2年更新一代的半導體技術，導致集成電路和數(shù)以百萬計的晶體管得以高效率、低成本地生產(chǎn)，從而在一個芯片上或同一封裝中，可以以較低的成本整合極為復雜的系統(tǒng)。此外，封裝技術的進步使得我們可以在同一封裝中放置多個芯片。這類器件被定義為系統(tǒng)級芯片（systemonchip，SOC）和系統(tǒng)級封裝（systeminpackage，SIP）。
二是集成電路晶圓代工商能夠重新以非常有吸引力的成本提供“新一代專用集成電路”，這催生出一個非常有利可圖的行業(yè)——集成電路設計。
三是集成電路高端設備的進步帶動了相鄰技術領域的發(fā)展，大大降低了平板顯示器、微機電系統(tǒng)傳感器、無線電設備和無源器件等設備的成本。在此條件下，系統(tǒng)集成商再次控制了系統(tǒng)設計和產(chǎn)品集成。
四是互聯(lián)網(wǎng)應用和移動智能終端的崛起，帶動了光纖電纜的廣泛部署和多種無線技術的發(fā)展，實現(xiàn)前所未有的全球移動互聯(lián)。這個生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)造了“物聯(lián)網(wǎng)”這一新興的市場，而創(chuàng)新的產(chǎn)品制造商、電信公司、數(shù)據(jù)和信息分銷商以及內(nèi)容提供商正在爭奪該市場的主導權。
半導體是上述所有應用的基石，所有的創(chuàng)新離不開半導體產(chǎn)業(yè)的支持。
二、全球半導體技術發(fā)展路線
上世紀60年代后期，硅柵自對準工藝的發(fā)明奠定了半導體規(guī)格的根基。摩爾1965年提出的晶體管每兩年一次的更新?lián)Q代的“摩爾定律”，以及丹納德1975年提出的“丹納德定律”，促進了半導體產(chǎn)業(yè)的成長，一直到21世紀初，這是傳統(tǒng)幾何尺寸的按比例縮?。–lassicalGeometricallyDrivenScaling）時代。進入等效按比例縮?。‥quivalentScaling）時代的基礎是應變硅、高介電金屬閘極、多柵晶體管、化合物半導體等技術，這些技術的實現(xiàn)支持了過去十年半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并將持續(xù)支持未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
（一）器件
信息處理技術正在推動半導體產(chǎn)業(yè)進入更寬廣的應用領域，器件成本和性能將繼續(xù)與互補金屬氧化物半導體（ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorTransistor，CMOS）的維度和功能擴展密切相關。
應變硅、高介電金屬閘極、多柵晶體管現(xiàn)已廣泛應用于集成電路的制造，進一步提升器件性能的重點將在III-V族元素材料和鍺。與硅器件相比，這些材料將使器件具有更高的遷移率。為了利用完善的硅平臺的優(yōu)勢，預計新的高遷移率材料將在硅基質(zhì)上外延附生。
2DScaling最終將在2013國際半導體技術路線圖（ITRS）期間達到其基本限制，無論是邏輯器件還是存儲器件正在探索如何使用垂直維度（3D）。3D設備架構和低功率器件的結合將開啟“3D能耗規(guī)模化（PowerScaling）”時代，單位面積上晶體管數(shù)量的增加將最終通過多層堆疊晶體管來實現(xiàn)。
遺憾的是，互連方面沒有新的突破，因為尚無可行的材料具有比銅更低的電阻率。然而，處理碳納米管、石墨烯組合物等無邊包裹材料（edgelesswrappedmaterials）方面的進展為“彈道導體”（ballisticconductor）的發(fā)展提供基礎保障，這可能將在未來十年內(nèi)出現(xiàn)。
多芯片的三維封裝對于減少互聯(lián)電阻提供了可能的途徑，主要是通過增加導線截面（垂直）和減少每個互連路徑的長度。
然而，CMOS或目前正在研究的等效裝置（equivalentdevice）的橫向維度擴展最終將達到極限。未來半導體產(chǎn)品新機會在于：一是通過新技術的異構集成，擴展CMOS平臺的功能；二是開發(fā)支持新一代信息處理范式的設備。
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