關鍵字：半導體產業(yè) 摩爾定律 物聯(lián)網
手機要傳輸電話，首先得有一個模擬-數字轉換器，把聲音壓力和頻率轉換成數字信號，還要有天線、麥克風、擴音器、板載通信系統(tǒng)等等。為了用戶下載和使用應用程序，手機還得配備加速度計、圖形處理器、視頻處理器、大量內存，等等。所有這些功能性的電子元器件必須盡可能微型化，手機才不至于太過笨重，才能將能耗降至最低并高效散熱，當然，生產組裝成本也才有可能低廉。
半導體廠商所面對的，是汽車行業(yè)、保健應用以及方興未艾的“物聯(lián)網”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、降低能耗與生產成本劇增之間達成某種平衡。
摩爾定律（英特爾共同創(chuàng)始人高登·摩爾預測，芯片上的晶體管數量每十年會翻一番）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，晶體管的數量增加，密度也相應增加，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，絕大多數線寬在180納米到65納米或者45納米之間。只有極少數廠商（英特爾、IBM、臺積電和三星）有能力大規(guī)模生產20、22納米甚至14納米的線寬。
從經濟的角度看，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，整個半導體行業(yè)做的是金屬氧化物晶體管，對固態(tài)硅片進行蝕刻。但摩爾定律告訴我們總有達到晶體管極限——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。”意法半導體有限公司執(zhí)行副總裁、負責主板系統(tǒng)制造和技術研發(fā)的Joel Hartmann解釋道。“目前已經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水準。”言外之意，它將帶領我們超越摩爾定律。
持續(xù)增長的全球需求
當然，走到這一步還需要時間。投產前的設計、研發(fā)、測試和檢定原型樣品，尤其是廠房設備的建造和準備，以及生產線調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22納米標準刻蝕程序的投產和量產。
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年世界半導體的銷售增長了5%，市場價值達到了3150億美元。半導體市場不再局限于電腦設備和消費性電子產品。手機的普及、汽車、保健等部門電子電路運用的增加，加上物聯(lián)網——到2020年5000億個各種用途的智能設備——世界經濟中驚人龐大的部分都會涉及到半導體的使用。
為了滿足這些需求，半導體廠商們正在準備增加投資。每一代新工廠比前一代的成本要翻一番。到了2020年，一條生產線的建設成本恐怕需要100億美元。這使得那些大型集團不得不聯(lián)合起來，分擔必須的投資。“到目前為止，半導體廠商們已經完成了特定技術分工；明天，恐怕只會有一個技術基地，一個微電子基地，這就跟汽車發(fā)動機的情形相類似；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預測道。
這個趨勢將對歐洲人產生很大的影響。2014年年初，為了給歐盟施壓，一群來自業(yè)內的董事會主席和首席執(zhí)行官們創(chuàng)立了電子工業(yè)領導者集團（Electronics Leaders Group，FLG），促使其在該領域繼續(xù)采取大手筆的做法。他們宣稱自己的目標是，讓歐盟在微電子領域成為一個主要的參與者，把現有的本土元器件產量在2020年之前翻一番，并創(chuàng)造25萬個左右的相關工作機會?，F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，對方將提供補貼，并因此而產生顯著的財務優(yōu)勢。
超越固體物理學極限
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、組裝出足夠多的、功能強大的芯片呢？
從技術的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復雜性和差錯率也將呈指數增長，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到納米（10-9米）數量級時，相當于只有幾個分子的大小，這種情況下材料的物理、化學性能將發(fā)生質的變化，致使采用現行工藝的半導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，這種半導體材料經熔煉、澆鑄成圓柱體，然后切割成片，每片僅幾百微米厚。復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毫米的技術可行性。若是成功，將會導致成本下降近30%，但也意味著所有的生產設備需要根據新規(guī)格做調整。幾年前450毫米硅片大規(guī)模生產線推出時業(yè)內那種熱情已經很難再現，分析人士指出，新設備的投入在120億美元到140億美元之巨……
另一個阻礙是，現有的蝕刻設備一般無法精確進行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技術在未來必定會取代傳統(tǒng)蝕刻手段。該技術以接近1兆瓦的二氧化碳激光束，在真空狀態(tài)下轟擊錫目標，產生的13納米波長X光，通過反射鏡捕捉后，將其引向硅襯底。“這是一種極其復雜的技術，我們尚未掌握如此強大的適用于大規(guī)模工業(yè)生產的激光。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！” Joel Hartmann解釋。
高效的硅擴張戰(zhàn)略
硅器件的時代尚未完全結束，而且，摩爾定律也并未過時。在等待EUV技術實現的同時，廠商把賭注放在了摩爾定律本身的進一步發(fā)展上（More Moore）；換句話說，他們在想辦法把該定律設定的邊界推向前。
第一種選擇是全耗盡型絕緣層上硅（FD-SOI）。該技術由Soitec（絕緣硅芯片供應商）、意法半導體和電子與信息技術研究所（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。“該技術生產的處理器，每瓦的運算次數增多，產生熱量減少，因而電池的使用時間更長，”FD-SOI之父、意法半導體有限公司顛覆性技術項目主管Thomas Skotnicki解釋道。意法半導體目前正在對一系列的28納米FD-SOI電路進行測試，希望到2015年年初能開始大規(guī)模生產。這個技術也得到了三星的支持，后者決定在手機和與聯(lián)網設備的元器件中采用，看中的正是該技術的低能耗。“我們有一項技術，可以輕松把它進一步縮小到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。這種晶體管更省表層空間，減少閘極漏電。不過，三柵極技術施行起來比FD-SOI更復雜，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，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，預計今年晚些時候可以量產。
Jean Fompeyrine聲稱，“為了超越摩爾定律，當前研究正沿四條線索前進。首先是嘗試改變晶體管結構，就像FD-SOI和FinFETs技術；第二，用能耗更低的其他半導體材料代替硅，保持晶體管基本結構不變；第三是利用完全不同的物理原理對晶體管功能進行替代，比如隧道場效應晶體管（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，但前提是對材料進行調整以控制溫度。”
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，對光電產品有極大吸引力。這項技術造就了有機發(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，“這些新技術仍在紙上談兵階段，尚不能進行技術轉移，進入產業(yè)部門還需要一些年頭，”勒諾柏全球微納米科技園區(qū)微納米技術部門主管Fabien Boulanger預測道。
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。巴黎高等物理化工學院（ESPCI ParisTech）的Benoit Dubertret研究團隊正嘗試沿著麻省理工和加大伯克利分校20年前的做法，尋找用膠質納米顆粒建造半導體的方法，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，制造出性能獨特的材料。不同于以往利用固體物理學原理對硅柱進行橫向切片，科學家們正試圖把顆粒進行橫向連接而形成材料。
相關的應用包括光伏板陣、有機生物標記物、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，”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材料，我們可以設計出神奇的產品。”
量子點的另一個優(yōu)勢對實驗環(huán)境毫無挑剔。物理學發(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。”他還補充，“這是純粹的實驗室樂趣！” Jacques Lewiner預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里花在半導體產業(yè)基礎設施上的成本，至少還要幾十年。
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