什么是摩爾定律 ？為何先進(jìn)制程玩家反攻成熟制程？

摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談，其核心內(nèi)容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個(gè)月到24個(gè)月便會(huì)增加一倍。換言之，處理器的性能大約每?jī)赡攴槐?，同時(shí)價(jià)格下降為之前的一半。摩爾定律是內(nèi)行人摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談，漢譯名為“定律”，但并非自然科學(xué)定律，它一定程度揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。

1959年，美國(guó)著名半導(dǎo)體廠商仙童公司首先推出了平面型晶體管，緊接著于1961年又推出了平面型集成電路。這種平面型制造工藝是在研磨得很平的硅片上，采用一種所謂“光刻”技術(shù)來形成半導(dǎo)體電路的元器件，如二極管、三極管、電阻和電容等 只要“光刻”的精度不斷提高，元器件的密度也會(huì)相應(yīng)提高，從而具有極大的發(fā)展?jié)摿?。因此平面工藝被認(rèn)為是“整個(gè)半導(dǎo)體的工業(yè)鍵”，也是摩爾定律問世的技術(shù)基礎(chǔ) [2] 。

1965年時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司研究開發(fā)實(shí)驗(yàn)室主任的摩爾應(yīng)邀為《電子學(xué)》雜志35周年專刊寫了一篇觀察評(píng)論報(bào)告，題目是：“讓集成電路填滿更多的元件”。在摩爾開始繪制數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的趨勢(shì)：每個(gè)新芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個(gè)芯片的產(chǎn)生都是在前一個(gè)芯片產(chǎn)生后的18-24個(gè)月內(nèi) 。如果這個(gè)趨勢(shì)繼續(xù)，計(jì)算能力相對(duì)于時(shí)間周期將呈指數(shù)式的上升。 Moore的觀察資料，就是現(xiàn)在所謂的Moore定律。其所闡述的趨勢(shì)一直延續(xù)至今，且仍不同尋常地準(zhǔn)確 。人們還發(fā)現(xiàn)這不僅適用于對(duì)存儲(chǔ)器芯片的描述，也精確地說明了處理機(jī)能力和磁盤驅(qū)動(dòng)器存儲(chǔ)容量的發(fā)展。該定律成為許多工業(yè)對(duì)于性能預(yù)測(cè)的基礎(chǔ) 。在26年的時(shí)間里，芯片上的晶體管數(shù)量增加了3200多倍，從1971年推出的第一款4004的2300個(gè)增加到奔騰II處理器的750萬個(gè)。

歸納起來，“摩爾定律”主要有以下3種“版本”：1、集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個(gè)月就翻一番;2、微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，而價(jià)格下降一半;3、用一美元所能買到的計(jì)算機(jī)性能，每隔18個(gè)月翻兩番 。以上幾種說法中，以第一種說法最為普遍，第二、三兩種說法涉及價(jià)格因素，其實(shí)質(zhì)是一樣的。三種說法雖然各有千秋，但在一點(diǎn)上是共同的，即“翻番”的周期都是18個(gè)月，至于“翻一番”(或兩番)的是“集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目”或是整個(gè)“計(jì)算機(jī)的性能”，還是“一美元所能買到的性能”就見仁見智了 。

截至目前，汽車芯片仍處于緊缺狀態(tài)，而且，短缺物料已從常規(guī)車用芯片延伸至IGBT等電動(dòng)車增量芯片;而就在產(chǎn)業(yè)鏈加大力度解決汽車芯片短缺問題時(shí)，已有部分企業(yè)在規(guī)劃更先進(jìn)制程工藝的車規(guī)級(jí)芯片，如芯擎科技、恩智浦、高通、英偉達(dá)等，陸續(xù)發(fā)布7nm、5nm制程芯片。那么，車用芯片向先進(jìn)制程工藝發(fā)展是否已經(jīng)成為主流?

對(duì)此，業(yè)內(nèi)人士稱，安全、穩(wěn)定、可靠是車規(guī)級(jí)芯片的最大訴求，車用芯片種類眾多，并非所有芯片都適用于先進(jìn)制程，而AI計(jì)算單元等新一代芯片，出于性能、功耗和成本考慮，更傾向于采用先進(jìn)制程工藝。芯擎科技董事兼CEO汪凱博士進(jìn)一步指出，采用先進(jìn)工藝的芯片還能為未來OTA等迭代升級(jí)預(yù)留空間。

臺(tái)積電仍是車芯香餑餑

日前小鵬汽車創(chuàng)始人何小鵬發(fā)文稱，一輛智能汽車需要幾百種、5000顆以上芯片，但目前仍有很多專有芯片處于短缺狀態(tài)。筆者從供應(yīng)鏈了解到，IGBT目前供應(yīng)緊張，部分物料交貨周期已拉長(zhǎng)至50周以上。汽車行業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)公司Auto Forecast Solutions數(shù)據(jù)顯示，在芯片短缺及疫情雙重影響下，截至5月中旬，今年全球汽車已累計(jì)減產(chǎn)達(dá)172萬輛。

而就在產(chǎn)業(yè)鏈極力解決芯片短缺問題之時(shí)，部分企業(yè)已在積極布局下一代先進(jìn)制程工藝汽車芯片。

相比5nm，7nm車用芯片更多，部分產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)甚至裝車。如英偉達(dá)的Orin，就是7nm高算力芯片的代表，已于今年3月末官宣量產(chǎn)，該芯片一經(jīng)推出就獲得了比亞迪、理想、集度、奔馳、智己、捷豹路虎、沃爾沃、現(xiàn)代、奧迪、路特斯等大批主機(jī)廠選用，并首搭于蔚來ET 7車型上。

其他芯片中，芯擎科技“龍鷹一號(hào)”、地平線征程6、Mobileye的EyeQ5/EyeQ6、寒武紀(jì)旗下行歌科技高等級(jí)智能駕駛芯片(未發(fā)布)、特斯拉FSD芯片、賽靈思Versal AI Edge系列等也均是采用7nm制程工藝。

談及 IC 報(bào)價(jià)，有業(yè)界人士稱大尺寸與中尺寸面板驅(qū)動(dòng) IC 價(jià)格約比去年底小幅減少，小尺寸面板驅(qū)動(dòng) IC 報(bào)價(jià)則已比去年底降低二成以上。觸控與驅(qū)動(dòng)整合 IC(TDDI)方面，有些品項(xiàng)價(jià)格降幅已有兩位數(shù)百分比，部分降幅還在一成以內(nèi)，其中以 FHD TDDI 芯片降幅較大。

相較于3納米/2納米這樣的先進(jìn)制程，在成熟制程領(lǐng)域的看客似乎越來越多。一方面是因?yàn)槌墒熘瞥淌袌?chǎng)種類百花齊放，有模擬芯片、功率半導(dǎo)體、MCU、射頻芯片等等。再就是鎖定這塊市場(chǎng)的晶圓代工業(yè)者愈發(fā)多，隨著臺(tái)積電和三星開始反攻成熟制程，對(duì)于成熟制程晶圓廠商來說，挑戰(zhàn)愈發(fā)大。最后還有在細(xì)分領(lǐng)域小而美的專業(yè)代工業(yè)者正在不斷蓄力。成熟制程領(lǐng)域粥多僧多，競(jìng)爭(zhēng)正處于前所未有的激烈。

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在代工領(lǐng)域，英特爾長(zhǎng)久以來都是只給自己代工，但是去年英特爾的IDM 2.0策略中，將晶圓代工業(yè)務(wù)重啟。英特爾在今年公布了2022第一季的代工業(yè)務(wù)表現(xiàn)，從去年的1.03億美元增至2.83億美元，同比暴漲175%，雖然相比臺(tái)積電、聯(lián)電仍有較大差距，但已逐步逼近了力積電等廠商。根據(jù)英特爾對(duì)投資人公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，主要來自思科、亞馬遜等30多家客戶的訂單。這還不包括收購的Tower Semiconductor，若再完成合并高塔半導(dǎo)體，整體體量會(huì)更大，將逐步進(jìn)逼力積電、聯(lián)電等臺(tái)廠。

晶圓廠的大幅擴(kuò)產(chǎn)也反映到了設(shè)備市場(chǎng)中，光刻機(jī)設(shè)備供應(yīng)商ASML一季度賣出了62臺(tái)光刻機(jī)，實(shí)現(xiàn)凈銷售額35億歐元，凈利潤(rùn)6.95億歐元，新增訂單金額70億歐元，其中25億歐元來自0.33 NA和0.55 NA EUV系統(tǒng)訂單以及大量的DUV訂單，這反映了市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)和成熟節(jié)點(diǎn)持續(xù)性的強(qiáng)勁需求。

隨著新工藝節(jié)點(diǎn)的不斷推出，晶體管中原子的數(shù)量已經(jīng)越來越少，種種物理極限制約著摩爾定律的進(jìn)一步發(fā)展。

甚至有人認(rèn)為摩爾定律已經(jīng)結(jié)束了。

因此，為了「拯救」摩爾定律，工程師們不得不改變晶體管結(jié)構(gòu)，繼續(xù)減少面積和功耗，并提高其性能。

20世紀(jì)下半葉，主要流行平面晶體管設(shè)計(jì)(Planar Transistor)?？缛?010年代，3D鰭形器件(3D fin-shaped devices)逐漸替代了平面設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在，一種全新的晶體管設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，即全環(huán)繞柵極晶體管(GAA)成為FinFET的繼任者，并且即將投入生產(chǎn)。

但是，我們必須看得更遠(yuǎn)。因?yàn)榧幢闶怯⑻貭柼岢龅倪@種全新晶體管架構(gòu)RibbonFET，我們?cè)诳s小尺寸上的能力也有局限性。

要相信， 3D堆疊的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 或 CFET(互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管)將是把摩爾定律延伸到下一個(gè)十年的關(guān)鍵。

每個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)都有一套相同的基本部件:

柵極疊層 (gate stack) 、溝道區(qū) (channel region) 、源極 (source) 、漏極 (drain)

源極和漏極經(jīng)過化學(xué)摻雜，使它們要么富含移動(dòng)電子(n型)，要么缺乏它們(p型)。溝道區(qū)具有與源極和漏極相反的摻雜。

2011年之前的先進(jìn)微處理器中的平面版本晶體管中，MOSFET的柵極疊層剛好在溝道區(qū)的上方，是用來將電場(chǎng)投射到溝道區(qū)域。

向柵極施加足夠大的電壓 (相對(duì)于源極) ，就會(huì)在通道區(qū)域形成一層移動(dòng)電荷載流子，這樣就能讓電流在源極和漏極之間流動(dòng)。