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莫大康:定律可以进入倒计时的终点
(2024年6月12日更新)

摩尔定律在业内经常被讨论接近终点,但由于站立角度不同,观点不同,也很正常。

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推动半导体行业进步有两个轮子,即尺寸缩小和硅片直径增大,其中尺寸缩小是第一位的。从逻辑工艺观察,从1987年的3微米工艺到2022年的3纳米大规模生产,每两年开发一代新工艺,是逻辑工艺工艺动荡的35年。

英特尔在逻辑过程中做出了巨大的贡献,比如2001年发明的应变硅(strained silicon)45纳米用于90纳米和2007年HKMG(高k金属栅极)和2011年22纳米推出的3D Tri-Gate/FinFET工艺。

但7纳米也是如此FinFET工艺的极限必须依赖于向下的节点EUV光刻机设备。

随着时间的推移,由于各种原因,台积电在逻辑第一名。ASML在EUV设备与工艺长期共同研发中,设备与工艺的密切合作,反映了工艺进步离不开设备的支持。

DRAM工艺不同于逻辑工艺,它不是0.7x倍,不同的命名方法从20纳米节点开始,以前使用过1x、1y、1z工艺,后来又有了1α、1β和1γ工艺。

目前三星的DRAM工艺最先进,2020年率先开发1z工艺DRAM,大概是在15nm水平工艺。随后,2021年研发成功宣布α工艺DRAM,转换为14nm水平工艺是第一次使用EUV光刻。近日有消息称,三星已停止相关研发,这意味着三星已停止研发DRAM的13nm水平工艺研发可能已经失败。

为什么定律可能进入终点倒计时?

仅从尺寸缩小的角度来看,特别是在逻辑过程中,台积电将于2022年进入3纳米试生产。下面可能有1-2个节点,但由于物理极限的影响,硅原子直径约为1纳米,因此缩小尺寸是正常的。

据中国台TXC代理湾digitimes reserch月产5万片的3纳米芯片生产线需要投资约200亿美元。

由于台积电3纳米工艺的报价被业内人士泄露,EUV掩膜层数高达26层,3纳米工艺12英寸晶园的报价高达万美元,几乎是5纳米工艺报价9346美元的3倍多。

行业传台积电不仅是时间上的可能延迟,而且最早说3纳米工艺可以提高逻辑电路晶体管的密度1.8倍,然后变成1.7倍,去年变成1.6倍;公布的性能和功耗性能改进数据也被反复修改,似乎没有固定数据。

但总裁魏哲家在2022年第一季度法说会上再次明确表示,3纳米将于2022年下半年量产,2纳米可能于2025年。

另外,半导体行业的进步离不开设备的支持,行业共识将在2纳米工艺中采用环栅GAA架构及高值孔径NA达0.55的EUV光刻机。据ASML新的报道EXE:5200 EUV光刻机将于2025年发货。

据《韩国商业邮报》报道,三星正在努力提高其3纳米环栅结构的工艺良率,传闻其良率刚刚达到10%至20%。三星4纳米工艺制造的良率也不尽如人意,只有30-35%。

今年3月初,有传言称三星3纳米芯片的良率只有35%,导致一些大客户离开,转向台积电。三星不仅失去了高通剩余的4纳米订单,还将骁龙8Gen1Plus订单转移到台积电。

众所周知,如良率低的问题非常敏感,通常不会报道。然而,三星和台积电似乎都承认芯片工艺制造中存在随机缺陷,这意味着可以解决的方案也非常有限。它反映了从另一方面缩小尺寸可能接近终点。

事实上,近期半导体行业除了倾注尺寸缩小投资外,还根据物联网等市场要求,HPC,存储计算、人工智能等需要降低功耗,这也是首要任务。

半导体产业可持续100年

Finfet胡正明教授等发明家认为,半导体行业前景光明,可以持续数百年。它已接近尺寸缩小的摩尔定律的终点。如何解释两者。

事实上,它们都是正确的。从半导体产业发展的角度来看,仅从尺寸缩小的观察可能已经接近终点。虽然业界认为从技术角度来看可能有可能,但从成本和经济角度来看可能很难持续,现在有很多方法可以改进芯片功能,并且使用得很好,如异质集成和先进的包装2.5D,3D及Chiplet等等,所以没必要坚持缩小尺寸的道路。

半导体产业未来发展前景确实光明,近期许多市场分析公司认为,2030年产业可达万亿美元。

此外,从半导体产业的发展来看,行业早已做好了准备,认为除了缩小尺寸外,还有另外两条路要走,即More than Moore,如利用TSV及2.5D,3D封装的异质IC集成。以及Beyond Moore,探索新原理、新材料、设备和电路的新结构。

半导体产业发展中的一些标准发生了变化

经过50年的发展,半导体产业的基础理论几乎没有改变,它已经成为一个成熟的产业

半导体产业的周期性发展发生了变化,或其驱动力发生了变化。全球半导体产业以前由供需关系推动市场增长,现阶段已转变为结构性增长

芯片制造业集中,由于地缘政治因素,现已转变为全球布局;台积电是典型的

半导体行业的未来CAGR从5%增长到8-10%

产能扩张从谨慎到自由,进入产能为王的大投资时代

但未来仍有以下四个方面限制产业增长:包括人才和供应链的韧性ESG及创新

人才:短缺是客观存在的,需要从企业层面吸引人才,用好人才,培养人才。

供应链韧性:产业链必须起伏,企业自始至终都要有危机感

ESG(企业社会责任):要实现碳中和和碳达峰的目标,要注意人、水电消耗和污染排放

更多创新:只有不断创新,竞争才能赢得市场经济中的生存要素;全球协调,增加附加值

结语

摩尔定律实际上只是一只是一种猜测,但后来半导体行业的实践用数据证实了它的存在和价值。现在,从尺寸缩小的角度来看,它可能接近终点线。然而,由于行业具有较强的自我调节能力和许多新的市场驱动力,它将促进全球半导体行业的持续进步和增长。

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