“每一個時期的重大發(fā)明都會改變我們的生活,19世紀(jì)的鋼鐵,20世紀(jì)的汽車飛機等等,在推動發(fā)展力的同時也讓社會蓬勃發(fā)展。而著重要說的就是20世紀(jì)中期半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明,這一項發(fā)明讓社會產(chǎn)生了巨大的變化?;诎雽?dǎo)體建立的IT技術(shù),讓世界變成一個“村”,人類從此進(jìn)入互聯(lián)時代?!痹?019海峽兩岸集成電路產(chǎn)業(yè)合作發(fā)展論壇上,臺積電中國區(qū)業(yè)務(wù)發(fā)展副總經(jīng)理陳平談到科技對社會的影響。
發(fā)展動力強勁的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)
半導(dǎo)體的出現(xiàn)徹底改變了我們的生活,集成電路發(fā)展到現(xiàn)在不過60年,最早出現(xiàn)的時候,產(chǎn)品規(guī)模全球每年只有幾千到幾萬臺;7、80年代開始,電子器件普及,產(chǎn)品規(guī)模一年達(dá)到數(shù)億臺;而到了最近幾年,手機等消費電子開始流行,每年產(chǎn)品規(guī)??梢赃_(dá)到幾十億。人類的生活在不斷發(fā)生改變,越來越大的需求在不斷推動新技術(shù)的產(chǎn)生,移動終端、高速計算平臺、IOT以及自動駕駛等等,帶來無數(shù)商機。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展動力很強,原因無他,源于人類對美好生活的向往,陳平說道。在過去的十年里,智能機、互聯(lián)網(wǎng)的興起推動社會產(chǎn)生了巨大變革,因此社會對半導(dǎo)體技術(shù)的期待與日俱增。所謂“由儉入奢易,由奢入儉難”,人類已經(jīng)沒有辦法去適應(yīng)落后的設(shè)備,如今手機即將進(jìn)入5G時代,AI也在悄悄改變?nèi)祟惖纳?,所有這些最前沿高端的技術(shù),最底層的機制都是芯片。
5G時代,每天都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),為了處理這些爆炸式增長的數(shù)據(jù),芯片需要擁有低功耗,低延時,高計算能力以及高帶寬等性能,因此能效比也成了如今制造芯片的關(guān)鍵指標(biāo)。這些聽上去矛盾的性能要怎么實現(xiàn)?
三大法寶應(yīng)對龐大的半導(dǎo)體需求
陳平提出了這幾點思考:
1.如果想提升技術(shù),必須延續(xù)摩爾定律的發(fā)展
陳平解釋道,所謂的摩爾定律就是當(dāng)價格不變時,集成電路上可容納的元器件的數(shù)目,約每隔18-24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍,這其實是非常激進(jìn)的理論,但從1987年的3μm,到如今已經(jīng)開始量產(chǎn)的7nm,大家似乎都不約而同的選擇遵守并追趕摩爾定律。
“就臺積電來說,7nm量產(chǎn)已經(jīng)超過一年,5nm已經(jīng)進(jìn)入初期量產(chǎn)階段,明年年底將實現(xiàn)量產(chǎn), 3nm也已經(jīng)在來的路上了,值得一說的是,我們的2nm的研發(fā)也已開始。我們在不斷追趕摩爾定律,它還在繼續(xù)前進(jìn),并沒有失效?!标惼秸f道。
而不斷改進(jìn)縮小的工藝到底有什么用?陳平給出了這樣一個例子。大家都知道華為目前大部分手機都采用自家芯片,華為mate20是其中比較火的一款手機。這款手機配備的就是華為麒麟980芯片。這款芯片集成了69億個晶體管,擁有非常強大的性能以及極低的功耗,而這一切都是在7nm的工藝上實現(xiàn)的。
工藝的微縮進(jìn)展得益于全行業(yè)的不斷創(chuàng)新,摩爾定律走到盡頭的言論在1992年就已經(jīng)有人提起,但這么多年來卻一直在延續(xù),唱衰還言之過早,陳平稱。
對于芯片制造來說,光刻機是非常重要的一部分。光刻機在發(fā)展193nm的時候停頓了很多年,最終靠浸潤式技術(shù)實現(xiàn)了突破。如今所用的7nm技術(shù)就是依靠193nm的光刻機去實現(xiàn)的。如今光刻設(shè)備公司有了重大突破,euv技術(shù)讓光刻不在成為微縮的瓶頸,同時新材料也有了突破,這正是陳平有自信說出摩爾定律不會終止的原因。
2.大量引進(jìn)3D集成概念
雖然目前技術(shù)在不斷進(jìn)步,但終端產(chǎn)品出現(xiàn)越來越多的要求,需要高速的邏輯芯片以及存儲器、射頻芯片等等,像以往在一個平面上攤大餅顯然就不合適了,這樣子意味著芯片高功耗以及大面積等,與所追求的目標(biāo)完全是相反的。
因此,陳平提出,目前的方法是用半導(dǎo)體晶片板代替集成電路板,下面布線,把不同的芯片接在下方,如果把芯片平行放置,這種方法被稱之為2.5D系統(tǒng),如果垂直放置,就被稱為3D系統(tǒng)。而臺積電目前已量產(chǎn)2.5D系統(tǒng),3D系統(tǒng)也正在開發(fā),就這個方向來說,發(fā)展速度與摩爾定律是平行的。
作為例子,陳平提到CoWoS這個技術(shù),它是2.5D系統(tǒng)的代表。原先因為價格昂貴被多家棄用,而隨著制程推進(jìn)到16納米FinFET,以及異質(zhì)芯片整合趨勢成形,目前已有多家廠商訂購,2.5D系統(tǒng)可以提供高速計算,是目前比較通用的技術(shù)。
陳平還提到另一個趨勢-先進(jìn)封裝技術(shù),把不同工藝通過異構(gòu)集成組合在一起,用完全不同的工藝制造出來的芯片集合在一起,不僅可以保存功能,還能盡可能縮小體積。
3.硬件與軟件的協(xié)同優(yōu)化
對于產(chǎn)品的生產(chǎn)來說,硬件很重要,軟件也不能忽視。陳平說,在早先研發(fā)工藝的時候,采用的是機械方法,現(xiàn)在不一樣,你需要看最終的設(shè)計是否是最優(yōu)化的方案。因此在工藝開發(fā)的時候需要與客戶緊密合作,而不能以指標(biāo)作為最終目的。
在系統(tǒng)層面上來說,以前的gpu,cpu等優(yōu)點是比較通用,可編程。但缺點也很明顯,效率比較低,用硬件加速的話,功能都是特定的,靈活性不好?,F(xiàn)在的設(shè)計將硬件加速器變成高效速率器件,同時帶有可編程、可設(shè)計功能,這是在系統(tǒng)層面的大方向。
就陳平來看,未來soc的結(jié)構(gòu)基本都會硬軟件相互配合優(yōu)化。而臺積電也將對系統(tǒng)段的優(yōu)化非常關(guān)注。
最終,陳平總結(jié)道,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的需求很高,現(xiàn)在要求已經(jīng)從單一型變成綜合的能效型,為了把整個系統(tǒng)做好,這三大法寶是必不可少的。