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2023

科普分享 | 半導(dǎo)體加工技術(shù)的歷史、趨勢和演變

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半導(dǎo)體行業(yè)正在經(jīng)歷數(shù)字、模擬、工具、制造技術(shù)和材料方面的巨大進步。芯片開發(fā)在從設(shè)計到生產(chǎn)的各個層面都需要高度精密和復(fù)雜的過程。推進這一過程需要從建筑設(shè)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(dǎo)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(shù)來提高高度先進工藝節(jié)點的效率和產(chǎn)量。

半導(dǎo)體，物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的支柱

我們正在見證物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智能設(shè)備和最近的 5G 領(lǐng)域的重大進步。要了解這些創(chuàng)新將引領(lǐng)我們走向何方，以及我們應(yīng)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(chǔ)技術(shù)有一個基本的了解。隨著半導(dǎo)體技術(shù)驅(qū)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(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展一直是計算能力增長的原動力。據(jù)說半導(dǎo)體約占計算硬件成本的 50%。基于半導(dǎo)體技術(shù)，人工智能計算設(shè)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(fù)雜的算法來處理和分析駕駛數(shù)據(jù)。基于 5G 通信基礎(chǔ)設(shè)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(shè)備幾乎可以將任何產(chǎn)品變成智能設(shè)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(shè)備越來越普遍，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）對半導(dǎo)體行業(yè)非常重要。隨著智能手機行業(yè)停滯不前，半導(dǎo)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(yīng)用就無法運行，因此所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都需要半導(dǎo)體。多年來推動半導(dǎo)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(dǎo)體制造商帶來新的收入，并在可預(yù)見的未來保持半導(dǎo)體行業(yè)以 3%至 4%復(fù)合年增長率的增長。

半導(dǎo)體的大趨勢和未來機遇

半導(dǎo)體技術(shù)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(dǎo)致計算能力相應(yīng)增加。節(jié)點通常意味著不同的電路世代和架構(gòu)。一般來說，更小的技術(shù)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(shè)備。工藝節(jié)點和 CMOS 晶體管性能之間存在關(guān)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(dǎo)體工藝如何隨時間演變的重要性的原因。半導(dǎo)體技術(shù)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(dǎo)體技術(shù)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(shè)備，例如智能手機、平板電腦和可穿戴設(shè)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(shù)的近 40 億個工作晶體管。

工藝節(jié)點在半導(dǎo)體技術(shù)中的作用

半導(dǎo)體節(jié)點是決定微控制器性能的關(guān)鍵因素。隨著技術(shù)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(yù)計今后將繼續(xù) 下去。技術(shù)節(jié)點(也稱為工藝節(jié)點、工藝技術(shù)或簡稱為節(jié)點)是指特定的半導(dǎo)體制造工藝及其設(shè)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(gòu)。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(shù)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(shù)制造的特定世代芯片。它不對應(yīng)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(dǎo)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(shù)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 1 994 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(shù)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(guān)。

技術(shù)節(jié)點流程的演變

本質(zhì)上，技術(shù)節(jié)點是對應(yīng)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(guān)，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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)開始，該技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)向鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET），其中 FinFET 后面的架構(gòu)是三維配置，并且柵極長度的術(shù)語不再適合描述工藝技術(shù)。如今，隨著技術(shù)從平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向 FinFET 或全柵極 FET（GAA FET），10 和 5 納米等技術(shù)節(jié)點不再對應(yīng)于任何柵極長度或半間距距離。

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