科普分享 | 半導(dǎo)體加工技術(shù)的歷史、趨勢和演變

Markus Vomfelde? Director

半導(dǎo)體技術(shù)工藝節(jié)點(diǎn)是衡量芯片晶體管和其他組件尺寸的標(biāo)準(zhǔn)。這些年來，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量一直在穩(wěn)步增加，導(dǎo)致計(jì)算能力也相應(yīng)增加。一般來說，工藝節(jié)點(diǎn)越小，特征尺寸越小，晶體管越小，速度越快，越節(jié)能。

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(jìn)步。芯片開發(fā)在從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的各個(gè)層面都需要高度精密和復(fù)雜的過程。推進(jìn)這一過程需要從建筑設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，業(yè)界正在采用最新技術(shù)來提高高度先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(gè)基本的了解。隨著半導(dǎo)體技術(shù)驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和5G的發(fā)展，人工智能的演進(jìn)將比以往任何時(shí)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(jì)算能力增長的原動(dòng)力。據(jù)說半導(dǎo)體約占計(jì)算硬件成本的 50%?；诎雽?dǎo)體技術(shù)，人工智能計(jì)算設(shè)備與社會(huì)的融合將更加無縫和無孔不入。一個(gè)例子是自動(dòng)駕駛汽車，它使用無處不在的移動(dòng)邊緣計(jì)算和復(fù)雜的算法來處理和分析駕駛數(shù)據(jù)?；?G通信基礎(chǔ)設(shè)施，人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)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(xué)、消費(fèi)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(gè)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(jī)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(yùn)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(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)增長的智能手機(jī)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(jī)遇

半導(dǎo)體技術(shù)工藝節(jié)點(diǎn)是衡量芯片晶體管和其他組件尺寸的指標(biāo)。這些年來節(jié)點(diǎn)的數(shù)量一直在穩(wěn)步增加，導(dǎo)致計(jì)算能力相應(yīng)增加。節(jié)點(diǎn)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(diǎn)意味著更小的特征尺寸，這會(huì)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(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和更小尺寸的設(shè)備。工藝節(jié)點(diǎn)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(diǎn)選擇的影響。這就是了解半導(dǎo)體工藝如何隨時(shí)間演變的重要性的原因。半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)的歷史可以追溯到20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)英特爾發(fā)布了第一款微處理器4004。從那時(shí)起，由于半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)尺寸的進(jìn)步，我們看到計(jì)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(qiáng)大的設(shè)備，例如智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備。Apple A15 Bionic是當(dāng)今大多數(shù)Apple最新產(chǎn)品的核心，采用7納米節(jié)點(diǎn)技術(shù)的近40億個(gè)工作晶體管。

工藝節(jié)點(diǎn)在半導(dǎo)體技術(shù)中的作用

半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)是決定微控制器性能的關(guān)鍵因素。隨著技術(shù)的進(jìn)步，每個(gè)微控制器中的節(jié)點(diǎn)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(jì)今后將繼續(xù)下去。技術(shù)節(jié)點(diǎn)（也稱為工藝節(jié)點(diǎn)、工藝技術(shù)或簡稱為節(jié)點(diǎn)）是指特定的半導(dǎo)體制造工藝及其設(shè)計(jì)規(guī)則。不同的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)和代工廠之間的分歧，這個(gè)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(diǎn)，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(diǎn)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(gè)新一代工藝都被稱為技術(shù)節(jié)點(diǎn)或工藝節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)的納米數(shù)已成為一個(gè)營銷術(shù)語，與實(shí)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(diǎn)流程的演變

本質(zhì)上，技術(shù)節(jié)點(diǎn)是對應(yīng)于晶體管的物理特征尺寸。最初，每個(gè)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(dòng)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(diǎn)指的是可以繪制在布局上的最小數(shù)據(jù)圖形特征（半個(gè)間距或柵極長度）。然而，技術(shù)節(jié)點(diǎn)的命名沒有標(biāo)準(zhǔn)化。諸如28 nm或65 nm之類的節(jié)點(diǎn)名稱實(shí)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(diǎn)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(diǎn)不再對應(yīng)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(shè)備的新工藝技術(shù)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）變得越來越重要，設(shè)備設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在正在尋找使他們的設(shè)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(shù)，使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的體積比以前小得多，同時(shí)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(jìn)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(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果是瑞薩電子的RL78、RA和RX微控制器比以往任何時(shí)候都執(zhí)行得更快，功耗比以往任何時(shí)候都低，同時(shí)仍保留其所有功能和特性

瑞薩一直是工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品半導(dǎo)體解決方案的領(lǐng)先提供商，并以其在開發(fā)新技術(shù)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(jìn)工藝而聞名。這方面的一個(gè)例子是我們專注于開發(fā)110納米領(lǐng)域的內(nèi)部低功耗工藝技術(shù)，即MF4。它允許瑞薩開發(fā)適用于廣泛終端的超低功耗設(shè)備。隨著我們邁向一個(gè)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(shè)備的需求變得越來越重要，而且隨著越來越多的設(shè)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(dá)30%的能耗。這個(gè)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(yīng)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(shè)計(jì)，瑞薩還提供合作伙伴平臺(tái)、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(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，滿足您的功耗、性能和安全要求，并幫助您在創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間內(nèi)提供下一代設(shè)計(jì)。