莫大康：定律可能進(jìn)入終點(diǎn)倒計(jì)時(shí)

業(yè)界經(jīng)常議論摩爾定律接近終點(diǎn)，但是由于站立角度不同，看法各異，也很正常。

推動(dòng)半導(dǎo)體業(yè)進(jìn)步有兩個(gè)“輪子”，分別是尺寸縮小及硅片直徑增大，其中尺寸縮小為先。從邏輯工藝制程觀察，由1987年的3微米制程到2022年的3納米量產(chǎn)，平均每2年開發(fā)一代新的制程，是邏輯工藝制程激蕩的35年。

在邏輯工藝的進(jìn)程中，英特爾曾作出過巨大的貢獻(xiàn)，如在2001年發(fā)明了稱為應(yīng)變硅（strained silicon）用在90納米中，及2007年推出了45納米的HKMG（高k金屬柵極），以及于2011年在22納米時(shí)推出了3D Tri-Gate/FinFET工藝。

但是到7納米時(shí)也是FinFET工藝的極限，再往下的節(jié)點(diǎn)必須要依賴于EUV光刻機(jī)設(shè)備。

時(shí)過境遷，由于各種原因現(xiàn)在的臺(tái)積電在邏輯工藝制程中已奪得首位，得益于它與ASML在EUV光刻機(jī)的長期共同研發(fā)中設(shè)備與工藝的緊密合作，反映工藝進(jìn)步離不開設(shè)備的支持。

DRAM工藝不同于邏輯工藝，它不以0.7x倍，從20納米節(jié)點(diǎn)開始就使用了不同的命名方法，此前使用的是1x、1y、1z工藝，后來又有了1α、1β和1γ工藝。

目前三星的DRAM工藝是最先進(jìn)的，在2020年率先研發(fā)出1z工藝DRAM，大概是在15nm級別工藝。隨后在2021年宣告研發(fā)成功1α工藝DRAM，換算下來是在14nm級別工藝，還是首次使用了EUV光刻。近期有消息稱三星已經(jīng)停止了相關(guān)研發(fā)，意味著DRAM的13nm級別工藝研發(fā)可能已經(jīng)失敗。

為什么說定律可能進(jìn)入終點(diǎn)倒計(jì)時(shí)

單從尺寸縮小角度，尤其是邏輯工藝，臺(tái)積電等2022年將進(jìn)入3納米試產(chǎn)，下面還可能有1-2個(gè)節(jié)點(diǎn)，但是由于受物理極限影響，在1納米時(shí)已達(dá)10個(gè)左右硅原子直徑，所以講尺寸縮小已達(dá)壽終正寢是正常的。

據(jù)中國臺(tái)灣digitimes reserch資料，月產(chǎn)50,000片的3納米芯片生產(chǎn)線需要投資約200億美元。

有業(yè)內(nèi)人士泄露了臺(tái)積電3納米工藝的報(bào)價(jià)，由于EUV掩膜層數(shù)高達(dá)26層，3納米工藝12英寸晶園的報(bào)價(jià)每片高達(dá)30,000美元，相比5納米工藝的16900美元幾乎翻倍，是7納米工藝報(bào)價(jià)9346美元的3倍多。

業(yè)界傳臺(tái)積電不光是時(shí)間上的可能推遲，而最早說3納米工藝能實(shí)現(xiàn)邏輯電路晶體管密度1.8倍的提升，后來變成1.7倍，去年又改成1.6倍；公布的性能與功耗表現(xiàn)提升數(shù)據(jù)也是反復(fù)修改，似無定數(shù)。

但是總裁魏哲家在2022年第1季法說會(huì)上再次明確表示，3納米將在2022年下半量產(chǎn)，而2納米可能將于2025年。

另外半導(dǎo)體業(yè)進(jìn)步離不開設(shè)備的支持，業(yè)界共識在2納米工藝時(shí)將采用環(huán)柵GAA架構(gòu)及高數(shù)值孔徑NA達(dá)0.55的EUV光刻機(jī)。據(jù)ASML的報(bào)道，新的EXE：5200 EUV光刻機(jī)將于2025年出貨。

據(jù)韓國商業(yè)郵報(bào)報(bào)道，三星正在努力提高其3納米環(huán)柵結(jié)構(gòu)的工藝良率，傳聞其良率剛剛達(dá)到10%到20%之間。三星4納米工藝制造的良率也不盡如人意，僅為30-35%。

今年3月初有傳聞稱三星的3納米芯片的良率只有35%，導(dǎo)致一些大客戶出走，而轉(zhuǎn)向臺(tái)積電。三星不但失去了高通剩余的4納米訂單，而且高通已將驍龍8Gen1Plus的訂單轉(zhuǎn)給了臺(tái)積電。

眾所周知如良率低下的問題十分敏感、通常不會(huì)報(bào)道，但是無論三星，或者臺(tái)積電似乎都已隱認(rèn)，在芯片工藝制造中出現(xiàn)了“隨機(jī)缺陷”，由此表示能解決的辦法也十分有限，它從另一個(gè)側(cè)面反映尺寸縮小可能已經(jīng)接近終點(diǎn)。

實(shí)際上近時(shí)期以來半導(dǎo)體業(yè)除了傾注尺寸縮小投資之外，根據(jù)市場要求，如物聯(lián)網(wǎng)，HPC，存內(nèi)計(jì)算，人工智能等需要降低功耗，它也是頭等大事。

半導(dǎo)體業(yè)進(jìn)步可持續(xù)100年

Finfet發(fā)明者胡正明教授等認(rèn)為半導(dǎo)體業(yè)前景光明，還能持續(xù)上百年，它與尺寸縮小的摩爾定律已接近終點(diǎn)，兩者之間如何解釋。

實(shí)際上它們都是正確的。從半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展角度，僅從尺寸縮小觀察可能已接近終點(diǎn)。盡管業(yè)界認(rèn)為從技術(shù)上看或許還有可能性，但是從成本，經(jīng)濟(jì)角度可能難以持續(xù)，而且現(xiàn)在提升芯片功能的辦法很多，而且用得很好，如異質(zhì)集成及先進(jìn)的封裝2.5D，3D及Chiplet等，因此沒有必要堅(jiān)守尺寸縮小這一條道。

未來半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展的前景確實(shí)光明，近期許多市場分析公司認(rèn)為在2030年時(shí)產(chǎn)業(yè)可達(dá)萬億美元。

另外從半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展觀察，業(yè)界早就作好了準(zhǔn)備，認(rèn)為除了尺寸縮小之外，尚有另外兩條道可走，分別是More than Moore，如利用TSV及2.5D，3D封裝的異質(zhì)IC集成。以及Beyond Moore，探索新原理、新材料和器件與電路的新結(jié)構(gòu)等。

半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展中一些準(zhǔn)則發(fā)生改變

• 半導(dǎo)體業(yè)經(jīng)過50年發(fā)展，基礎(chǔ)理論幾乎未改變，它已成為成熟產(chǎn)業(yè)

• 半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展的周期性已經(jīng)改變，或者它的推動(dòng)力改變。全球半導(dǎo)體業(yè)之前由供需關(guān)系推動(dòng)市場增長，現(xiàn)階段已轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)性增長

• 芯片制造業(yè)集中，現(xiàn)在由于地緣政治因素轉(zhuǎn)變到全球布局；臺(tái)積電是典型之一

• 未來半導(dǎo)體業(yè)的CAGR由5%可能增長到8-10%

• 產(chǎn)能擴(kuò)充由謹(jǐn)慎到放開，且進(jìn)入產(chǎn)能為王的大投資時(shí)代

• 但是未來尚有以下四個(gè)方面制約產(chǎn)業(yè)增長：包括人材、供應(yīng)鏈的韌性、ESG及創(chuàng)新

• 人材：短缺是客觀存在，從企業(yè)層面需要吸引人材及用好人材與培養(yǎng)人材

• 供應(yīng)鏈韌性：產(chǎn)業(yè)鏈一定有起伏，企業(yè)要自始至終擁有危機(jī)感

• ESG（企業(yè)的社會(huì)責(zé)任）：要實(shí)現(xiàn)碳中和及碳達(dá)峰目標(biāo)，因此要關(guān)注人、水電消耗及污染排放等

• 更多創(chuàng)新：市場經(jīng)濟(jì)中生存要素，唯有不斷創(chuàng)新，競爭勝出；全球協(xié)同及增加附加值

結(jié)語

摩爾定律開初時(shí)實(shí)際上僅是一種“猜想”，但是之后半導(dǎo)體業(yè)的實(shí)踐，用數(shù)據(jù)證實(shí)了它的存在以及價(jià)值。如今從尺寸縮小角度可能將接近終點(diǎn)，然而由于產(chǎn)業(yè)有強(qiáng)大的自我調(diào)節(jié)能力，以及會(huì)有眾多新的市場推動(dòng)力誕生，將推動(dòng)全球半導(dǎo)體業(yè)持續(xù)進(jìn)步及成長。