世界半導(dǎo)體業(yè)走向何方?

今年市場將優(yōu)于預(yù)期

        在全球金融/經(jīng)濟風(fēng)暴的襲擊下，世界半導(dǎo)體業(yè)2008、2009連續(xù)兩年陷入困境，出現(xiàn)負(fù)增長，2010年觸底強勁反彈。WSTS（世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計協(xié)會）去年秋季曾預(yù)測，當(dāng)年市場將大幅增長31.7%，市場突破3000億美元大關(guān)，達(dá)3004億美元，是十年來增長最快的一年?？墒牵渑嘁?，大多市調(diào)公司對2011年市場并不看好，預(yù)期增長率僅能在5％上下，徘徊于個位數(shù)的低端。

預(yù)測不過是預(yù)測而已

        最近WSTS發(fā)表了今年1月份的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，世界半導(dǎo)體的銷售額達(dá)240億美元，同比勁增16％，而環(huán)比（比上年12月）僅下降4.5%，是自1999年以來12年中下降最少的一年（據(jù)統(tǒng)計，1999～2010年間每年l月的平均環(huán)比負(fù)增長率達(dá)20％）。

        依據(jù)上述數(shù)據(jù)，市場調(diào)研公司IC Insights將歷年的詳細(xì)數(shù)據(jù)加以推算，再加上最近如美國失業(yè)率減少、新興經(jīng)濟國家需求殷切等的經(jīng)濟積極因素，該公司對今年世界半導(dǎo)體市場前景表示樂觀，認(rèn)為可增長10％左右。

        無獨有偶，VLSI公司在3月份竟兩次上調(diào)今年世界半導(dǎo)體市場的增長率，尤其引人矚目。該公司不久前曾表示，去年世界半導(dǎo)體市場增長了30.9%，預(yù)測今年將增長8.1%，達(dá)2687億美元，雖然承認(rèn)今年市場確有許多不確定因素，但鑒于首季度的市場運行情況，于3月2日將今年的增長率上調(diào)至8.9%，達(dá)2707億美元。等到3月30日，一季度的半導(dǎo)體市場表現(xiàn)紅火好于預(yù)期，今年快速提高了11.6%，銷量也從11%提高到14%，因此一季度為全年發(fā)展構(gòu)建了良好基礎(chǔ)。于是，VLSI公司便再次將今年世界半導(dǎo)體市場的增長率上調(diào)到12.2%，并認(rèn)為即使有石油漲價、通貨膨脹、日本地震等種種不利因素，未來幾個季度運行速度可能會趨緩，但至少可保持兩位數(shù)的增長率。

        IC Insights公司預(yù)測，今年熱銷的半尋體產(chǎn)品有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、汽車專用模擬電路和MPU等，日前又特別提到了O－S－D（光電器件－傳感器/傳動器－分立器件）市場，3類產(chǎn)品總銷售額將比去年上揚10.2%，達(dá)583億美元，其中光電器件增長11%，達(dá)264億美元；傳感器/傳動器增長15%，達(dá)85億美元；分立器件增長8%，達(dá)234億美元。

        由于日本3.11地震曾導(dǎo)致15座晶圓廠生產(chǎn)中斷，對半導(dǎo)體業(yè)造成不良影響，IC Insights公司最近又出版了一份相關(guān)報告。據(jù)其統(tǒng)汁，世界半導(dǎo)體制造產(chǎn)能中有63%位于地震活動帶，晶圓代工產(chǎn)能更超過90%，尤其是位于中國臺灣地區(qū)的世界兩大頂級晶圓代工廠――臺積電和聯(lián)電，一旦遭遇地震或颶風(fēng)災(zāi)害，則將對整體電子產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈造成巨大沖擊(見表1)。


450mm晶圓即將上馬

        自1980年半導(dǎo)體業(yè)界采用l00mm晶圓進(jìn)行生產(chǎn)，大約每5年前進(jìn)一代，1985年采用150mm生產(chǎn)；l990年采用200mm生產(chǎn)；1995年采用300mm生產(chǎn)?？勺?00mm以來已超過15年還未走向450mm新一代晶圓，時間可謂長矣，近年雖議論不少，可始終未見具體計劃。

        究其原因，主要是缺少突破型新產(chǎn)品需求的驅(qū)動力，據(jù)說300mm晶圓線的巨額投資，廠商還沒全部收回，因而缺少投資新一代工藝的經(jīng)濟實力。另外，開發(fā)新一代技術(shù)已不像以往各代的工藝主要是重復(fù)，而是要求制造設(shè)備廠商具有綜合開發(fā)能力，包括工藝開發(fā)、材料準(zhǔn)備、軟件編寫、工廠自動化等，龐大的資金和專業(yè)知識均非易事。當(dāng)前，即使像應(yīng)用材料和東京電子這樣世界最大的設(shè)備制造公司在資源方面也難于獨立完成這樣的開發(fā)。

        2008年5月，Intel、三星和臺積電共同發(fā)表實施450mm生產(chǎn)線的聲明時，業(yè)界一時震動?？善浜筮m遇經(jīng)濟風(fēng)暴，市場陷入低迷，計劃亮起紅燈。直到不久前，人們才又見到促進(jìn)派特別是Intel和臺積電的動靜，發(fā)表了較為具體的發(fā)展路線圖。臺積電計劃2013～2014年完成試制生產(chǎn)線，2015～2016年實現(xiàn)量產(chǎn)，并計劃2012年第三季度開始在450mm晶圓上采用20nm工藝技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。Intel公司2月宣布，即將投資50億美元以上，在亞利桑那州建立42號工廠，釆用l4nm以下工藝，2013年建成，據(jù)稱將是世界上最先進(jìn)的工廠。

        臺積電4月5日在美國圣荷塞舉行的技術(shù)論壇上，詳細(xì)透露了公司的450mm晶圓生產(chǎn)計劃。臺積電將全力向450mm時代挺進(jìn)，目的之一是降低成本，其二是爭取比競爭對手搶先一步。450mm生產(chǎn)線約需投資100億美元，其中設(shè)備費尤為高昂，但其生產(chǎn)率可比300mm生產(chǎn)線提高1.8倍，且可減少工廠數(shù)量，避免面臨尋找大量優(yōu)秀工程技術(shù)人員的難題，未來10年將減少人員需求7000人。據(jù)悉，臺積電將首先在新竹第12號工廠建立試制線，預(yù)計2013～2014年投入運行，然后轉(zhuǎn)入臺中第15號工廠進(jìn)行量產(chǎn)，計劃2015～2016年完成。初時釆用20nm工藝，未來將轉(zhuǎn)向14nm工藝。

摩爾定律何時到頭?

        在半導(dǎo)體業(yè)界一向奉為圭臬的摩爾定律到頭之論早已有之，iSuppli公司2009年便聲稱摩爾定律即將于2014年失效，曾引起熱烈議論。被譽為臺灣集成電路之父的臺積電董事長張忠謀于今年4月下旬出席“全球科技高峰論壇”時又表示，摩爾定律大約再過6～8年將走到極限。他說，摩爾定律以往平均每兩年進(jìn)入新的一代，未來IC的微細(xì)化發(fā)展空間已不大，倒是電路板方面還有發(fā)展空間，未來勢必要往新的應(yīng)用發(fā)展，如低功耗等。

        微細(xì)化技術(shù)發(fā)展的困難日益增大，速度趨緩，從2003年的90nm工藝、2005年的65nm工藝、2007年的45nm工藝到2009年32nm，都是兩年一代?？缛?010年以后工藝革新的間隔時間將延長，預(yù)計將從2011～2012年的22nm、2014～2015年15nm到2017～2018年11nm，將放慢到2.5～3年一代。

        今天的半導(dǎo)體業(yè)除了繼續(xù)走傳統(tǒng)微細(xì)化道路的所謂“More Moore（更摩爾）”方式之外，業(yè)界還提出了有別于此的所謂“More than Moore（超摩爾）”的發(fā)展道路。它包括通過3D方式提高集成度，以及將模擬電路、功率器件、傳感器、生物芯片、無源元件等集成在一個封裝里，稱為SIP（System In a Package）。另外，“Beyond CMOS（后CMOS）”也是業(yè)者提出的另一方式，即利用與現(xiàn)有MOS晶體管不同原理進(jìn)行工作的新器件，包括將原子、量子、光、自旋電子等用作芯片布線等技術(shù)，并將成為本世紀(jì)20年代的基礎(chǔ)技術(shù)。

        總之，未來集成電路必將走上多樣化的發(fā)展道路，“More than Moore”和“Beyond CMOS”將成“More Moore”技術(shù)發(fā)展的原動力。此外，還有化合物半導(dǎo)體（Ge和III－V族半導(dǎo)體）材料的應(yīng)用也值得注意，業(yè)界有“得材料者得天下”的說法。

激蕩的未來十年


        無論如何，微細(xì)化的道路還將走下去，當(dāng)前32nm工藝已成主流技術(shù)，今年世界主要半導(dǎo)體廠商如Intel、臺積電、Global F、三星等公司即將跨入22nm新一代技術(shù)，但綜觀世界半導(dǎo)體業(yè)各生產(chǎn)公司，自130nm以下，共有6代生產(chǎn)工藝并存于世（圖1）。預(yù)計明年22nm將成主流生產(chǎn)技術(shù)。
另外還有一種提法，認(rèn)為微細(xì)化技術(shù)在NAND flash等的牽引下，不斷采用新的手段，前進(jìn)步伐還將加快，超過了ITRS（國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖）的預(yù)測，今年1Xnm技術(shù)即將成事，9nm技術(shù)也已在實驗室開發(fā)成功。若依ITRS路線圖，2024年將進(jìn)入5nm時代，屆時每平方厘米尺寸的芯片上，集成的晶體管數(shù)將超過250億個。當(dāng)然，它必須經(jīng)過革新原有技術(shù)，應(yīng)用新的半導(dǎo)體材料。
總之，世界半導(dǎo)體業(yè)將在這新的十年里閃展騰挪，爭時立新，人們必須清醒地認(rèn)識到這一點，方能不失時機地?fù)駲C而進(jìn)。2011～2012年22nm工藝付諸量產(chǎn)時，現(xiàn)有的MOS晶體管結(jié)構(gòu)和材料尚可維持，可到2014～2015年15nm時代以后，就必須要開發(fā)提高產(chǎn)品性能的新技術(shù)了。

結(jié)語

        事物總在發(fā)展，生命必有盡頭。摩爾定律是在半導(dǎo)體芯片上通過傳統(tǒng)手段縮小工藝尺寸以提高其集成度和降低成本，這條道路走不下去了，人們便研究出改變M0S晶體管結(jié)構(gòu)、更換半導(dǎo)體材料以及3D化等不同手段，使半導(dǎo)體工藝微細(xì)化繼續(xù)不斷前進(jìn)。