半導體加工技術的歷史、趨勢和演變

導讀

半導體技術工藝節(jié)點是衡量芯片晶體管和其他組件尺寸的標準。這些年來，節(jié)點的數(shù)量一直在穩(wěn)步增加，導致計算能力也相應增加。一般來說，工藝節(jié)點越小，特征尺寸越小，晶體管越小，速度越快，越節(jié)能。

——Markus Vomfelde

Director

半導體行業(yè)正在經(jīng)歷數(shù)字、模擬、工具、制造技術和材料方面的巨大進步。芯片開發(fā)在從設計到生產(chǎn)的各個層面都需要高度精密和復雜的過程。推進這一過程需要從建筑設計到可持續(xù)材料和端到端制造的重大變革，以滿足對半導體不斷增長的需求。為實現(xiàn)這一目標，業(yè)界正在采用最新技術來提高高度先進工藝節(jié)點的效率和產(chǎn)量。

半導體，物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化轉型的支柱

我們正在見證物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智能設備和最近的5G領域的重大進步。要了解這些創(chuàng)新將引領我們走向何方，以及我們應該對它們有何期待，我們需要對使這一新的創(chuàng)新浪潮成為可能的基礎技術有一個基本的了解。隨著半導體技術驅動的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和5G的發(fā)展，人工智能的演進將比以往任何時候都更快。在過去的30年里，半導體技術的發(fā)展一直是計算能力增長的原動力。據(jù)說半導體約占計算硬件成本的 50%。基于半導體技術，人工智能計算設備與社會的融合將更加無縫和無孔不入。一個例子是自動駕駛汽車，它使用無處不在的移動邊緣計算和復雜的算法來處理和分析駕駛數(shù)據(jù)?；?G通信基礎設施，人工智能（AI）和機器學習使用計算機視覺了解周圍場景，然后規(guī)劃和執(zhí)行安全駕駛操作。這使出行更安全、更智能、更高效。物聯(lián)網(wǎng)設備幾乎可以將任何產(chǎn)品變成智能設備，從供水系統(tǒng)到服裝。零售、醫(yī)療保健、生命科學、消費品和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)都有很高的需求。

未來的創(chuàng)新還將使個性化芯片更容易獲得，并使芯片生產(chǎn)更有效，最重要的是，更具可持續(xù)性。隨著互聯(lián)設備越來越普遍，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）對半導體行業(yè)非常重要。隨著智能手機行業(yè)停滯不前，半導體行業(yè)必須尋找其他具有增長潛力的途徑。盡管面臨挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)仍然是該行業(yè)最合乎邏輯的選擇。沒有傳感器和集成電路，物聯(lián)網(wǎng)應用就無法運行，因此所有物聯(lián)網(wǎng)設備都需要半導體。多年來推動半導體行業(yè)增長的智能手機市場已經(jīng)開始趨于平穩(wěn)。物聯(lián)網(wǎng)市場可以為半導體制造商帶來新的收入，并在可預見的未來保持半導體行業(yè)以3%至4%復合年增長率的增長。

半導體的大趨勢和未來機遇

半導體技術工藝節(jié)點是衡量芯片晶體管和其他組件尺寸的指標。這些年來節(jié)點的數(shù)量一直在穩(wěn)步增加，導致計算能力相應增加。節(jié)點通常意味著不同的電路世代和架構。一般來說，更小的技術節(jié)點意味著更小的特征尺寸，這會產(chǎn)生更小、更快、更節(jié)能的晶體管。這種趨勢使我們能夠開發(fā)更強大的計算機和更小尺寸的設備。工藝節(jié)點和CMOS晶體管性能之間存在關系。頻率、功率和物理尺寸都受工藝節(jié)點選擇的影響。這就是了解半導體工藝如何隨時間演變的重要性的原因。半導體技術節(jié)點的歷史可以追溯到20世紀70年代，當時英特爾發(fā)布了第一款微處理器4004。從那時起，由于半導體技術節(jié)點尺寸的進步，我們看到計算能力呈指數(shù)級增長。這使我們能夠創(chuàng)造出更小、功能更強大的設備，例如智能手機、平板電腦和可穿戴設備。Apple A15 Bionic是當今大多數(shù)Apple最新產(chǎn)品的核心，采用7納米節(jié)點技術的近40億個工作晶體管。

工藝節(jié)點在半導體技術中的作用

半導體節(jié)點是決定微控制器性能的關鍵因素。隨著技術的進步，每個微控制器中的節(jié)點數(shù)量不斷增加。這一趨勢在過去幾年中已經(jīng)觀察到，預計今后將繼續(xù)下去。技術節(jié)點（也稱為工藝節(jié)點、工藝技術或簡稱為節(jié)點）是指特定的半導體制造工藝及其設計規(guī)則。不同的節(jié)點通常意味著不同的電路世代和架構。一般來說，工藝節(jié)點越小，特征尺寸越小，晶體管越小，速度越快，越節(jié)能。歷史上，工藝節(jié)點名稱指的是晶體管的許多不同特性，包括柵極長度和M1半節(jié)距。最近，由于各種營銷活動和代工廠之間的分歧，這個數(shù)字本身已經(jīng)失去了它曾經(jīng)擁有的確切含義。較新的技術節(jié)點，如22納米、16納米、14納米和10納米，僅指采用特定技術制造的特定世代芯片。它不對應于柵極長度或半間距。盡管如此，命名約定還是得到了尊重，這就是主要代工廠對節(jié)點的稱呼。

早期的半導體工藝有任意的名稱，例如，HMOS III，CHMOS V。后來，每個新一代工藝都被稱為技術節(jié)點或工藝節(jié)點，以工藝晶體管的納米（或歷史上的1微米）工藝的最小特征尺寸來表示柵極長度，例如“90納米工藝”。然而，自1994年以來，情況發(fā)生了變化，用于命名工藝節(jié)點的納米數(shù)已成為一個營銷術語，與實際特征尺寸或晶體管密度（每平方毫米的晶體管數(shù)量）無關。

技術節(jié)點流程的演變

本質上，技術節(jié)點是對應于晶體管的物理特征尺寸。最初，每個微控制器都是由晶體管組成的，晶體管基本上是控制電流流動的開關，允許微控制器執(zhí)行其邏輯功能。諸如28納米或65納米的技術節(jié)點指的是可以繪制在布局上的最小數(shù)據(jù)圖形特征（半個間距或柵極長度）。然而，技術節(jié)點的命名沒有標準化。諸如28 nm或65 nm之類的節(jié)點名稱實際上來自傳統(tǒng)平面MOSFET配置中所示的晶體管的最小柵極長度。一般來說，技術節(jié)點給出了晶體管在每平方毫米基板上的密集程度。從22納米技術開始，該技術已經(jīng)轉向鰭式場效應晶體管（FinFET），其中FinFET后面的架構是三維配置，并且柵極長度的術語不再適合描述工藝技術。如今，隨著技術從平面結構轉向FinFET或全柵極FET（GAA FET），10和5納米等技術節(jié)點不再對應于任何柵極長度或半間距距離。

瑞薩電子在開發(fā)支持下一代物聯(lián)網(wǎng)設備的新工藝技術方面發(fā)揮著至關重要的作用。隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）變得越來越重要，設備設計人員現(xiàn)在正在尋找使他們的設備更小、更快和更節(jié)能的方法。為了滿足這些需求，瑞薩開發(fā)了一種新的工藝技術，使物聯(lián)網(wǎng)設備的體積比以前小得多，同時功耗更低。40納米工藝針對基于閃存的微控制器的最低功耗和最高性能進行了優(yōu)化，而110納米工藝針對寬電壓范圍和最低功耗操作進行了優(yōu)化。結果是瑞薩電子的RL78、RA和RX微控制器比以往任何時候都執(zhí)行得更快，功耗比以往任何時候都低，同時仍保留其所有功能和特性

瑞薩一直是工業(yè)和消費電子產(chǎn)品半導體解決方案的領先提供商，并以其在開發(fā)新技術以支持物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和最近的AIOT（人工物聯(lián)網(wǎng)）方面的先進工藝而聞名。這方面的一個例子是我們專注于開發(fā)110納米領域的內部低功耗工藝技術，即MF4。它允許瑞薩開發(fā)適用于廣泛終端的超低功耗設備。隨著我們邁向一個從汽車到家電的一切都與互聯(lián)網(wǎng)相連的世界，對這種低功耗設備的需求變得越來越重要，而且隨著越來越多的設備聯(lián)網(wǎng)，對能源消耗的需求也在增加。為了解決這一問題，瑞薩開發(fā)了一種新的電源管理系統(tǒng)，可降低高達30%的能耗。這個新系統(tǒng)允許他們制造比以前更小的芯片，需要更少的能量。

瑞薩豐富的微控制器和SoC產(chǎn)品線提供廣泛的數(shù)字和模擬功能，包括各種物聯(lián)網(wǎng)應用所需的寬性能范圍和低功耗或能量收集能力。為了從頭到尾支持您的設計，瑞薩還提供合作伙伴平臺、軟件和開發(fā)工具。瑞薩電子的IC和模塊使您能夠精確地感知、理解和發(fā)送來自傳感器的智能數(shù)據(jù)到云端。我們誠邀您利用我們先進的半導體技術，滿足您的功耗、性能和安全要求，并幫助您在創(chuàng)紀錄的時間內提供下一代設計。