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[導讀]2020年10月14日,“第三屆全球IC企業家大會暨第十八屆中國國際半導體博覽會”(IC China 2020)於上海開幕,會上各位專家指出了行業的痛點和機會所在。

伴隨5GAIoT的發展和國際關係的日漸緊張之下,集成電路產業逐漸受到一致關注。20201014日,“第三屆全球IC企業家大會暨第十八屆中國國際半導體博覽會”(IC China 2020)於上海開幕,會上各位專家指出了行業的痛點和機會所在。

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摩爾定律放緩催生新材料新架構

摩爾定律是產業一直以來遵循的重要法則,回溯1965年當時提出價格不變情況下,集成電路可容納的元器件數量每年都會翻番,性能也會提升一倍。十年後,這項定律被修改為兩年一翻番。時至今日,多核眾核、功耗、密度、頻率已逐漸失效,只有晶體管密度還在繼續前向發展。

中國工程院院士吳漢明認為,在製程節點20nm以後叫做後摩爾時代,2nm和1nm是否還會走下去,這是業界仍未知的領域,未來的挑戰非常大。但從另一個角度來看,對於中國集成電路來説,發展速度變慢也是一個機會。

摩爾定律在發展過程中曾經主要遭遇了三大瓶頸,其一,受到材料限制,發明了電化學鍍銅和機械平面化的雙鑲嵌結構(dual damascence process)技術;其二,受到設備物理限制,Si柵極和SiO2柵極電介質材料被金屬柵極和高K電介質取代;其三,受到光刻限制,193nm以上的製程工藝,應運而生了光刻技術。

實際上,正是因為受到這種限制,光刻工藝和刻蝕工藝便成為了後摩爾時代芯片圖形發展的兩個重要技術。通過公式得知,光刻工藝技術受到NA、k1、λ幾個參數影響,在製程節點32nm-45nm下產生了浸沒工藝、10nm-16nm下使用多重曝光工藝、5nm-7nm則使用極紫外線(EUV)工藝。

但與此同時,EUV光刻也面臨着光源、光刻膠和掩膜版三大挑戰。掩模的整體產率約94.8%,但EUV掩模僅64.3%左右,EUV淹模比複雜光學掩模還貴三至八倍(40層到50層交替的硅和鉬層組成)。

除了上述的光刻技術,目前納米壓印、X光光刻、電子束直寫作為先進光刻技術正在高速發展之中,但這些技術在3-5內仍然有發展空間,並不會馬上成為主流技術。

默克中總裁兼高性能材料業務中國區董事總經理Allan Gabor認為,展望未來,伴隨摩爾定律的逐漸失效,正在催生新材料和新結構。在此方面,吳漢明也預測,隨着工藝節點演進,摩爾定律越來越難以持續,預計將走到2025年。在這些挑戰下,新材料、新工藝將是未來成套工藝研發的主旋律。

後摩爾時代有着四大發展模式,具體的方式包括:馮-硅模式,二進制基礎的MOSFET和CMOS (平面) 及泛CMOS (立體柵FinFET、納米線環柵NWFET、 碳納米管CNTFET等技術) ;類硅模式,現行架構下NCTFET(負電容)、TFET(隧穿)、相變FET、SET(單電子)等電荷變換的非CMOS技術;類腦模式3D封裝模擬神經元特性,存算一體等計算,並行性、低功耗的特點,人工智能的主要途徑;新興模式,狀態變換(信息強相關電態/自旋取向)、新器件技術(自旋器件/量子)和新興架構(量子計算/神經形態計算)。

因而邏輯器件將會擁有三個趨勢,其一是結構方面,增加柵控能力,以實現更低的漏電流,降低器件功耗;其二是材料方面,增加溝道的遷移率,以實現更高的導通電流和性能;其三,架構方面,類似平面NAND閃存向三位NAND閃存演進,未來的邏輯器件也會從二維集成技術走向三維堆棧工藝。

“摩爾定律放緩是不爭的事實,但據OpenAI預估AI算力約每3.5個月翻倍,算力需求正已10倍年增長增加,甚至在摩爾定律不放緩下都難以滿足日益增速的算力需求。”上海燧原科技有限公司創始人兼CEO趙立東如是説。