半導體工藝技術(shù)：它的歷史、趨勢和演變

半導體行業(yè)的數字、模擬、工具、制造和材料領(lǐng)域都有重大發(fā)展。芯片開(kāi)發(fā)需要從設計到制造的各個(gè)層面的先進(jìn)復雜工藝。為了應對目前正在蔓延的對半導體日益增長(cháng)的需求，需要從建筑設計到可持續材料采購和端到端制造進(jìn)行重大變革。因此，采用高效的最新技術(shù)，并解決先進(jìn)工藝節點(diǎn)的生產(chǎn)，是該行業(yè)的現狀。

物聯(lián)網(wǎng)和半導體用于數字化轉型：

最近，我們的互聯(lián)網(wǎng)、智能設備和5g都有了重大發(fā)展。我們需要從根本上了解將導致這一新創(chuàng )新的基本技術(shù)。隨著(zhù)半導體技術(shù)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)和5g，人工智能的進(jìn)化將盡早到來(lái)。在過(guò)去的30年里，半導體技術(shù)已經(jīng)成為提升計算能力的驅動(dòng)力。一般來(lái)說(shuō)，大約50%的計算硬件成本被認為是半導體?；谶@種半導體技術(shù)，人工智能計算設備將更無(wú)縫地滲透到社會(huì )中。例如，自動(dòng)駕駛汽車(chē)是一種移動(dòng)邊緣計算，使用高級算法來(lái)處理和分析運行數據。有了5g通信基礎設施，人工智能和機器學(xué)習使用計算機視覺(jué)來(lái)了解周?chē)h(huán)境，并計劃和執行安全駕駛操作。這使移動(dòng)更加安全、智能和高效。從供水系統到服裝，物聯(lián)網(wǎng)設備將任何產(chǎn)品都變成了智能設備。高需求行業(yè)包括零售、醫療保健、生命科學(xué)、消費品和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

在即將到來(lái)的創(chuàng )新中，個(gè)性化芯片變得更容易獲得，芯片生產(chǎn)變得更高效，更重要的是，更可持續。當連接設備在未來(lái)變得更加流行時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)對半導體行業(yè)變得更加重要。在智能手機行業(yè)停滯不前之后的當下，我們必須尋找其他方式來(lái)發(fā)展一個(gè)有潛力的行業(yè)。當然，最合乎邏輯的選擇是物聯(lián)網(wǎng)。由于沒(méi)有傳感器和集成電路，物聯(lián)網(wǎng)應用就無(wú)法工作，因此所有物聯(lián)網(wǎng)設備都需要半導體。在長(cháng)期引領(lǐng)半導體行業(yè)增長(cháng)的智能手機市場(chǎng)趨于平淡的同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)將為半導體制造商帶來(lái)新的收入，并將從每年3%增長(cháng)到4%。

半導體的巨大趨勢和未來(lái)前景

半導體的工藝節點(diǎn)是指示諸如芯片之類(lèi)的晶體管的大小的指標。節點(diǎn)數量逐年增加，計算能力也相應提高。這是一個(gè)節點(diǎn)，意味著(zhù)不同的電路生成和架構。技術(shù)節點(diǎn)越小，功能尺寸越小，晶體管越小，能效越快。因此，更小的外形尺寸能夠開(kāi)發(fā)出更復雜的計算機和設備。工藝節點(diǎn)與CMOS晶體管的性能之間也存在相關(guān)性。頻率、功率和物理大小會(huì )隨著(zhù)工藝節點(diǎn)的選擇而變化。因此，了解半導體工藝在未來(lái)如何演變變得非常重要。半導體技術(shù)節點(diǎn)的歷史可以追溯到20世紀70年代，當時(shí)英特爾宣布了第一個(gè)微處理器4004。從那時(shí)起，隨著(zhù)半導體技術(shù)的節點(diǎn)尺寸的發(fā)展，計算能力呈指數級增長(cháng)?，F在，它生產(chǎn)更小、更強大的設備，如智能手機、平板電腦和可穿戴終端。例如，蘋(píng)果A15仿生學(xué)采用了7納米節點(diǎn)技術(shù)，這是蘋(píng)果目前最新產(chǎn)品的核心，可操作近40億個(gè)晶體管。

工藝節點(diǎn)在半導體技術(shù)中的作用

影響微控制器性能的一個(gè)重要因素是半導體節點(diǎn)。由于技術(shù)進(jìn)步，每臺微型計算機中的節點(diǎn)數量都有所增加，過(guò)去幾年的這一趨勢預計將持續下去。技術(shù)節點(diǎn)（工藝節點(diǎn)、工藝技術(shù)或簡(jiǎn)稱(chēng)為節點(diǎn)）是指特定的半導體制造工藝及其設計規則。如果節點(diǎn)不同，則電路的生成或架構通常不同。技術(shù)節點(diǎn)越小，功能尺寸越小，晶體管越小，速度越快，能效越高。這里，從歷史的角度來(lái)看，工藝節點(diǎn)的名稱(chēng)取自晶體管的各種特性，例如柵極長(cháng)度和M1半節距。然而，最近，營(yíng)銷(xiāo)和制造商之間的差異已經(jīng)失去了它們曾經(jīng)的確切含義。一個(gè)新的技術(shù)節點(diǎn)，如22nm、16nm、14nm和10nm，只是某些技術(shù)制造的芯片產(chǎn)生的指標。它不反映門(mén)的長(cháng)度或半節距。然而，目前的情況是，主要制造商的命名受到尊重。

最初，初期的半導體工藝以HMOs III和CHMOS v命名。新一代工藝將被稱(chēng)為技術(shù)節點(diǎn)或工藝節點(diǎn)。這是工藝晶體管納米（歷史上為一微米）工藝（如90nm工藝）的最小特征尺寸的柵極長(cháng)度的表示。然而，自1994年以來(lái)，情況發(fā)生了變化，工藝節點(diǎn)名稱(chēng)所用的納米數已成為一個(gè)與實(shí)際功能尺寸和晶體管密度（每平方毫米晶體管數）無(wú)關(guān)的營(yíng)銷(xiāo)術(shù)語(yǔ)。

技術(shù)節點(diǎn)的演變

開(kāi)始技術(shù)節點(diǎn)對應于晶體管的物理特征尺寸。每臺微型計算機都由晶體管組成，晶體管本質(zhì)上切換電流，使微型計算機能夠執行邏輯功能。技術(shù)節點(diǎn)，如28nm和65nm，指向可以在布局上繪制的最小數據形狀（半節距或柵極長(cháng)度）。然而，在技術(shù)節點(diǎn)的名稱(chēng)中沒(méi)有標準規則，并且上述28nm和65nm是從傳統平面MOSFET中所示的晶體管的最小柵極長(cháng)度導出的。該技術(shù)節點(diǎn)通常顯示如何將高密度晶體管放置在1平方毫米的基板上。然而，隨著(zhù)技術(shù)創(chuàng )新發(fā)生在22納米和鰭狀場(chǎng)效應晶體管（FinFET）之后，結構變得三維，字柵極長(cháng)度不再適合工藝技術(shù)。隨著(zhù)從平面結構到FinFET和柵極環(huán)繞FET（GAA-FET）的轉變，諸如10nm和5nm的技術(shù)節點(diǎn)不再反映柵極長(cháng)度和半節距。

為了實(shí)現下一代IoT設備，瑞薩在開(kāi)發(fā)新工藝技術(shù)方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的普及，設計師們正在尋求減小設備的尺寸、速度和節能。為了滿(mǎn)足這種需求，瑞薩開(kāi)發(fā)了一種新的物聯(lián)網(wǎng)設備最小化和低功耗工藝技術(shù)。它有40納米優(yōu)化的閃存微型計算機，具有最小功耗和最大性能，110納米優(yōu)化的寬電壓范圍和最小功耗。瑞薩rl78、RA和Rx微型計算機可以以比以往任何時(shí)候都更高的速度運行，并以低功耗運行，同時(shí)保留所有功能和特點(diǎn)。

瑞薩是一家為工業(yè)和消費電子產(chǎn)品提供半導體解決方案的領(lǐng)先公司，也是支持物聯(lián)網(wǎng)和最近的國際物聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)開(kāi)發(fā)的先進(jìn)方法。一個(gè)例子是我們在稱(chēng)為mf4的110 nm區域開(kāi)發(fā)了自己的低功率工藝技術(shù)，這導致了適用于廣泛端點(diǎn)的超低功率器件的開(kāi)發(fā)。隨著(zhù)從汽車(chē)到消費電子產(chǎn)品的所有產(chǎn)品都連接到互聯(lián)網(wǎng)，以及越來(lái)越多的設備上網(wǎng)，對這些低功耗設備的需求正在增加，能源消耗也有增加的風(fēng)險。為了解決這個(gè)問(wèn)題，瑞薩開(kāi)發(fā)了一種新的電源管理系統，可以將功耗降低30%，從而可以用比以往更低的功率生產(chǎn)更小的芯片。