關(guān)鍵字：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) 摩爾定律 物聯(lián)網(wǎng)
手機(jī)要傳輸電話，首先得有一個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，把聲音壓力和頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，還要有天線、麥克風(fēng)、擴(kuò)音器、板載通信系統(tǒng)等等。為了用戶下載和使用應(yīng)用程序，手機(jī)還得配備加速度計、圖形處理器、視頻處理器、大量內(nèi)存，等等。所有這些功能性的電子元器件必須盡可能微型化，手機(jī)才不至于太過笨重，才能將能耗降至最低并高效散熱，當(dāng)然，生產(chǎn)組裝成本也才有可能低廉。
半導(dǎo)體廠商所面對的，是汽車行業(yè)、保健應(yīng)用以及方興未艾的“物聯(lián)網(wǎng)”對于電子元器件的挑戰(zhàn)性需求呈無止境的增加。它們必須在縮小體積、降低能耗與生產(chǎn)成本劇增之間達(dá)成某種平衡。
摩爾定律（英特爾共同創(chuàng)始人高登·摩爾預(yù)測，芯片上的晶體管數(shù)量每十年會翻一番）是一方面，主要有以下三種"版本"：
●集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個月就翻一番；
●微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一倍；
●用一個美元所能買到的電腦性能，每隔18個月翻兩番。
不過很明顯，晶體管的數(shù)量增加，密度也相應(yīng)增加，那么個體尺寸和刻蝕（也就是線寬）都必須變小。線寬降到不足1微米，再到1納米，低了三個量級！今天，絕大多數(shù)線寬在180納米到65納米或者45納米之間。只有極少數(shù)廠商（英特爾、IBM、臺積電和三星）有能力大規(guī)模生產(chǎn)20、22納米甚至14納米的線寬。
從經(jīng)濟(jì)的角度看，目前是20-30億美元建一座芯片廠，線條尺寸縮小到0.1微米時將猛增至100億美元，比一座核電站投資還大。由于花不起這筆錢，迫使越來越多的公司退出了芯片行業(yè)?？磥砟柖梢倬S持十年的壽命，也決非易事。
這場微型化競賽使得廠商面臨新的重大挑戰(zhàn)。“在過去的50年里，整個半導(dǎo)體行業(yè)做的是金屬氧化物晶體管，對固態(tài)硅片進(jìn)行蝕刻。但摩爾定律告訴我們總有達(dá)到晶體管極限——20納米左右——的那天，物理體積限制使得無法再提升晶體管電路的性能。”意法半導(dǎo)體有限公司執(zhí)行副總裁、負(fù)責(zé)主板系統(tǒng)制造和技術(shù)研發(fā)的Joel Hartmann解釋道。“目前已經(jīng)找到了一些解決辦法，使得我們可以跨越20納米這個障礙，在限制閘極漏電的同時還能提升晶體管的表現(xiàn)水準(zhǔn)。”言外之意，它將帶領(lǐng)我們超越摩爾定律。
持續(xù)增長的全球需求
當(dāng)然，走到這一步還需要時間。投產(chǎn)前的設(shè)計、研發(fā)、測試和檢定原型樣品，尤其是廠房設(shè)備的建造和準(zhǔn)備，以及生產(chǎn)線調(diào)試和啟動都非朝夕之事，所以明智的做法是未雨綢繆。英特爾用了15年的時間才實現(xiàn)22納米標(biāo)準(zhǔn)刻蝕程序的投產(chǎn)和量產(chǎn)。
伴隨這一新挑戰(zhàn)的，是持續(xù)增長的市場需求。Gartner公司指出，2013年世界半導(dǎo)體的銷售增長了5%，市場價值達(dá)到了3150億美元。半導(dǎo)體市場不再局限于電腦設(shè)備和消費(fèi)性電子產(chǎn)品。手機(jī)的普及、汽車、保健等部門電子電路運(yùn)用的增加，加上物聯(lián)網(wǎng)——到2020年5000億個各種用途的智能設(shè)備——世界經(jīng)濟(jì)中驚人龐大的部分都會涉及到半導(dǎo)體的使用。
為了滿足這些需求，半導(dǎo)體廠商們正在準(zhǔn)備增加投資。每一代新工廠比前一代的成本要翻一番。到了2020年，一條生產(chǎn)線的建設(shè)成本恐怕需要100億美元。這使得那些大型集團(tuán)不得不聯(lián)合起來，分擔(dān)必須的投資。“到目前為止，半導(dǎo)體廠商們已經(jīng)完成了特定技術(shù)分工；明天，恐怕只會有一個技術(shù)基地，一個微電子基地，這就跟汽車發(fā)動機(jī)的情形相類似；各種參與者將以用途、市場和客戶來作區(qū)分，”IBM位于蘇黎世的高級功能材料研究實驗室的研究主管 Jean Fompeyrine預(yù)測道。
這個趨勢將對歐洲人產(chǎn)生很大的影響。2014年年初，為了給歐盟施壓，一群來自業(yè)內(nèi)的董事會主席和首席執(zhí)行官們創(chuàng)立了電子工業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者集團(tuán)（Electronics Leaders Group，F(xiàn)LG），促使其在該領(lǐng)域繼續(xù)采取大手筆的做法。他們宣稱自己的目標(biāo)是，讓歐盟在微電子領(lǐng)域成為一個主要的參與者，把現(xiàn)有的本土元器件產(chǎn)量在2020年之前翻一番，并創(chuàng)造25萬個左右的相關(guān)工作機(jī)會?，F(xiàn)在的問題是，得讓歐盟的法律更具靈活性，尤其是在獲取公共資金和撥款方面。這些企業(yè)家認(rèn)為目前的法規(guī)限制頗多，他們正計劃在歐盟外的國家開辦工廠，對方將提供補(bǔ)貼，并因此而產(chǎn)生顯著的財務(wù)優(yōu)勢。
超越固體物理學(xué)極限
一個市場必須解決的問題是：在未來的幾年時間里，制造商數(shù)量開始集中，但市場對芯片的需求卻日益增長，那么如何才能用足夠低廉的成本，生產(chǎn)、組裝出足夠多的、功能強(qiáng)大的芯片呢？
從技術(shù)的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯率也將呈指數(shù)增長，同時也使全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能。一旦芯片上線條的寬度達(dá)到納米（10-9米）數(shù)量級時，相當(dāng)于只有幾個分子的大小，這種情況下材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到它的盡頭了。
這涉及芯片制造的好幾個方面，首先是硅片，這種半導(dǎo)體材料經(jīng)熔煉、澆鑄成圓柱體，然后切割成片，每片僅幾百微米厚。復(fù)雜的集成電路蝕刻在這些片狀襯底上。這些襯底的直徑目前已從150毫米增加到了200-300毫米。直徑越大，一次蝕刻的電路就越多，每片的成本也就越低。目前正在研究把襯底直徑增加到450毫米的技術(shù)可行性。若是成功，將會導(dǎo)致成本下降近30%，但也意味著所有的生產(chǎn)設(shè)備需要根據(jù)新規(guī)格做調(diào)整。幾年前450毫米硅片大規(guī)模生產(chǎn)線推出時業(yè)內(nèi)那種熱情已經(jīng)很難再現(xiàn)，分析人士指出，新設(shè)備的投入在120億美元到140億美元之巨……
另一個阻礙是，現(xiàn)有的蝕刻設(shè)備一般無法精確進(jìn)行10納米以下的作業(yè)，即使能夠做到，成本也太大。正在研發(fā)中的EUV技術(shù)在未來必定會取代傳統(tǒng)蝕刻手段。該技術(shù)以接近1兆瓦的二氧化碳激光束，在真空狀態(tài)下轟擊錫目標(biāo)，產(chǎn)生的13納米波長X光，通過反射鏡捕捉后，將其引向硅襯底。“這是一種極其復(fù)雜的技術(shù)，我們尚未掌握如此強(qiáng)大的適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的激光。目前世界上只有荷蘭公司ASML正在試圖從工業(yè)角度掌握這項技術(shù)！” Joel Hartmann解釋。
高效的硅擴(kuò)張戰(zhàn)略
硅器件的時代尚未完全結(jié)束，而且，摩爾定律也并未過時。在等待EUV技術(shù)實現(xiàn)的同時，廠商把賭注放在了摩爾定律本身的進(jìn)一步發(fā)展上（More Moore）；換句話說，他們在想辦法把該定律設(shè)定的邊界推向前。
第一種選擇是全耗盡型絕緣層上硅（FD-SOI）。該技術(shù)由Soitec（絕緣硅芯片供應(yīng)商）、意法半導(dǎo)體和電子與信息技術(shù)研究所（CEA-Leti）在法國聯(lián)合研發(fā)。它的原理是利用一個覆蓋以絕緣層的基片，提升晶體管的性能，抵消固體硅的寄生效應(yīng)。“該技術(shù)生產(chǎn)的處理器，每瓦的運(yùn)算次數(shù)增多，產(chǎn)生熱量減少，因而電池的使用時間更長，”FD-SOI之父、意法半導(dǎo)體有限公司顛覆性技術(shù)項目主管Thomas Skotnicki解釋道。意法半導(dǎo)體目前正在對一系列的28納米FD-SOI電路進(jìn)行測試，希望到2015年年初能開始大規(guī)模生產(chǎn)。這個技術(shù)也得到了三星的支持，后者決定在手機(jī)和與聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的元器件中采用，看中的正是該技術(shù)的低能耗。“我們有一項技術(shù)，可以輕松把它進(jìn)一步縮小到10納米，而且還有提升空間，” Thomas Skotnicki聲稱。
第二個選擇是鰭式場效晶體管（FinFETs），又叫三柵極（Tri-Gate）設(shè)計。它由英特爾公司研發(fā)，做法是在硅基上蝕刻只有幾個納米高的垂直晶體管，呈3D架構(gòu)。這種晶體管更省表層空間，減少閘極漏電。不過，三柵極技術(shù)施行起來比FD-SOI更復(fù)雜，因此也要更昂貴。英特爾公司已在其幾處工廠的22納米光刻中使用了這種技術(shù)，目前，它還在測試14納米的可行性。臺灣企業(yè)臺積電正在測試20納米鰭式場效晶體管，預(yù)計今年晚些時候可以量產(chǎn)。
Jean Fompeyrine聲稱，“為了超越摩爾定律，當(dāng)前研究正沿四條線索前進(jìn)。首先是嘗試改變晶體管結(jié)構(gòu)，就像FD-SOI和FinFETs技術(shù)；第二，用能耗更低的其他半導(dǎo)體材料代替硅，保持晶體管基本結(jié)構(gòu)不變；第三是利用完全不同的物理原理對晶體管功能進(jìn)行替代，比如隧道場效應(yīng)晶體管（TETs）或高性能固態(tài)硬盤（SSDs）；第四個是嘗試把晶體管垂直摞起來，但前提是對材料進(jìn)行調(diào)整以控制溫度。”
材料替代，從石墨烯到“量子點”
說到材料替代，不同元器件類型可以有不同選擇。最有名的是石墨烯，對光電產(chǎn)品有極大吸引力。這項技術(shù)造就了有機(jī)發(fā)光二極管（OLED），可用于超高清顯示屏。它還可用于太陽能電池組和場效應(yīng)晶體管（FET）。光子理論上可被用于處理器和存儲器間高速通訊，成本更低，但不幸的是，“這些新技術(shù)仍在紙上談兵階段，尚不能進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)部門還需要一些年頭，”勒諾柏全球微納米科技園區(qū)微納米技術(shù)部門主管Fabien Boulanger預(yù)測道。
真正的創(chuàng)新可能會以所謂“量子點”、量子井和納米顆粒的形式出現(xiàn)。巴黎高等物理化工學(xué)院（ESPCI ParisTech）的Benoit Dubertret研究團(tuán)隊正嘗試沿著麻省理工和加大伯克利分校20年前的做法，尋找用膠質(zhì)納米顆粒建造半導(dǎo)體的方法，尺寸在幾百到幾千個原子之間。他們用彩色玻璃中的納米顆粒，制造出性能獨(dú)特的材料。不同于以往利用固體物理學(xué)原理對硅柱進(jìn)行橫向切片，科學(xué)家們正試圖把顆粒進(jìn)行橫向連接而形成材料。
相關(guān)的應(yīng)用包括光伏板陣、有機(jī)生物標(biāo)記物、電能儲存、傳感器和平板屏幕，“量子點材料第一次表明，物理和電子屬性會與材料的空間維度相關(guān)，”Benoit Dubertret滿腔熱情地說道。“它們有巨大潛力，利用納米顆粒用基礎(chǔ)材料，我們可以設(shè)計出神奇的產(chǎn)品。”
量子點的另一個優(yōu)勢對實驗環(huán)境毫無挑剔。物理學(xué)發(fā)明家、連環(huán)創(chuàng)業(yè)者Jacques Lewiner表示，“再也不用把錢花在那些白色實驗室和廠房上。”他還補(bǔ)充，“這是純粹的實驗室樂趣！” Jacques Lewiner預(yù)計這個市場將在兩年里興起，之后將呈快速增長。
然而，要真正攤銷掉人們在半個多世紀(jì)里花在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施上的成本，至少還要幾十年。
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