半導體加工技術(shù)的歷史、趨勢和演變

導讀

半導體技術(shù)工藝節點(diǎn)是衡量芯片晶體管和其他組件尺寸的標準。這些年來(lái)，節點(diǎn)的數量一直在穩步增加，導致計算能力也相應增加。一般來(lái)說(shuō)，工藝節點(diǎn)越小，特征尺寸越小，晶體管越小，速度越快，越節能。

——Markus Vomfelde

Director

半導體行業(yè)正在經(jīng)歷數字、模擬、工具、制造技術(shù)和材料方面的巨大進(jìn)步。芯片開(kāi)發(fā)在從設計到生產(chǎn)的各個(gè)層面都需要高度精密和復雜的過(guò)程。推進(jìn)這一過(guò)程需要從建筑設計到可持續材料和端到端制造的重大變革，以滿(mǎn)足對半導體不斷增長(cháng)的需求。為實(shí)現這一目標，業(yè)界正在采用最新技術(shù)來(lái)提高高度先進(jìn)工藝節點(diǎn)的效率和產(chǎn)量。

半導體，物聯(lián)網(wǎng)和數字化轉型的支柱

我們正在見(jiàn)證物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智能設備和最近的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技術(shù)有一個(gè)基本的了解。隨著(zhù)半導體技術(shù)驅動(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(guò)去的30年里，半導體技術(shù)的發(fā)展一直是計算能力增長(cháng)的原動(dòng)力。據說(shuō)半導體約占計算硬件成本的 50%?；诎雽w技術(shù)，人工智能計算設備與社會(huì )的融合將更加無(wú)縫和無(wú)孔不入。一個(gè)例子是自動(dòng)駕駛汽車(chē)，它使用無(wú)處不在的移動(dòng)邊緣計算和復雜的算法來(lái)處理和分析駕駛數據?；?G通信基礎設施，人工智能（AI）和機器學(xué)習使用計算機視覺(jué)了解周?chē)鷪?chǎng)景，然后規劃和執行安全駕駛操作。這使出行更安全、更智能、更高效。物聯(lián)網(wǎng)設備幾乎可以將任何產(chǎn)品變成智能設備，從供水系統到服裝。零售、醫療保健、生命科學(xué)、消費品和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)都有很高的需求。

未來(lái)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，更具可持續性。隨著(zhù)互聯(lián)設備越來(lái)越普遍，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）對半導體行業(yè)非常重要。隨著(zhù)智能手機行業(yè)停滯不前，半導體行業(yè)必須尋找其他具有增長(cháng)潛力的途徑。盡管面臨挑戰，物聯(lián)網(wǎng)仍然是該行業(yè)最合乎邏輯的選擇。沒(méi)有傳感器和集成電路，物聯(lián)網(wǎng)應用就無(wú)法運行，因此所有物聯(lián)網(wǎng)設備都需要半導體。多年來(lái)推動(dòng)半導體行業(yè)增長(cháng)的智能手機市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始趨于平穩。物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)可以為半導體制造商帶來(lái)新的收入，并在可預見(jiàn)的未來(lái)保持半導體行業(yè)以3%至4%復合年增長(cháng)率的增長(cháng)。

半導體的大趨勢和未來(lái)機遇

半導體技術(shù)工藝節點(diǎn)是衡量芯片晶體管和其他組件尺寸的指標。這些年來(lái)節點(diǎn)的數量一直在穩步增加，導致計算能力相應增加。節點(diǎn)通常意味著(zhù)不同的電路世代和架構。一般來(lái)說(shuō)，更小的技術(shù)節點(diǎn)意味著(zhù)更小的特征尺寸，這會(huì )產(chǎn)生更小、更快、更節能的晶體管。這種趨勢使我們能夠開(kāi)發(fā)更強大的計算機和更小尺寸的設備。工藝節點(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點(diǎn)選擇的影響。這就是了解半導體工藝如何隨時(shí)間演變的重要性的原因。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)英特爾發(fā)布了第一款微處理器4004。從那時(shí)起，由于半導體技術(shù)節點(diǎn)尺寸的進(jìn)步，我們看到計算能力呈指數級增長(cháng)。這使我們能夠創(chuàng )造出更小、功能更強大的設備，例如智能手機、平板電腦和可穿戴設備。Apple A15 Bionic是當今大多數Apple最新產(chǎn)品的核心，采用7納米節點(diǎn)技術(shù)的近40億個(gè)工作晶體管。

工藝節點(diǎn)在半導體技術(shù)中的作用

半導體節點(diǎn)是決定微控制器性能的關(guān)鍵因素。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，每個(gè)微控制器中的節點(diǎn)數量不斷增加。這一趨勢在過(guò)去幾年中已經(jīng)觀(guān)察到，預計今后將繼續下去。技術(shù)節點(diǎn)（也稱(chēng)為工藝節點(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。不同的節點(diǎn)通常意味著(zhù)不同的電路世代和架構。一般來(lái)說(shuō)，工藝節點(diǎn)越小，特征尺寸越小，晶體管越小，速度越快，越節能。歷史上，工藝節點(diǎn)名稱(chēng)指的是晶體管的許多不同特性，包括柵極長(cháng)度和M1半節距。最近，由于各種營(yíng)銷(xiāo)活動(dòng)和代工廠(chǎng)之間的分歧，這個(gè)數字本身已經(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。它不對應于柵極長(cháng)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(chǎng)對節點(diǎn)的稱(chēng)呼。

早期的半導體工藝有任意的名稱(chēng)，例如，HMOS III，CHMOS V。后來(lái)，每個(gè)新一代工藝都被稱(chēng)為技術(shù)節點(diǎn)或工藝節點(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(lái)表示柵極長(cháng)度，例如“90納米工藝”。然而，自1994年以來(lái)，情況發(fā)生了變化，用于命名工藝節點(diǎn)的納米數已成為一個(gè)營(yíng)銷(xiāo)術(shù)語(yǔ)，與實(shí)際特征尺寸或晶體管密度（每平方毫米的晶體管數量）無(wú)關(guān)。

技術(shù)節點(diǎn)流程的演變

本質(zhì)上，技術(shù)節點(diǎn)是對應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(kāi)關(guān)，允許微控制器執行其邏輯功能。諸如28納米或65納米的技術(shù)節點(diǎn)指的是可以繪制在布局上的最小數據圖形特征（半個(gè)間距或柵極長(cháng)度）。然而，技術(shù)節點(diǎn)的命名沒(méi)有標準化。諸如28 nm或65 nm之類(lèi)的節點(diǎn)名稱(chēng)實(shí)際上來(lái)自傳統平面MOSFET配置中所示的晶體管的最小柵極長(cháng)度。一般來(lái)說(shuō)，技術(shù)節點(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(kāi)始，該技術(shù)已經(jīng)轉向鰭式場(chǎng)效應晶體管（FinFET），其中FinFET后面的架構是三維配置，并且柵極長(cháng)度的術(shù)語(yǔ)不再適合描述工藝技術(shù)。如今，隨著(zhù)技術(shù)從平面結構轉向FinFET或全柵極FET（GAA FET），10和5納米等技術(shù)節點(diǎn)不再對應于任何柵極長(cháng)度或半間距距離。

瑞薩電子在開(kāi)發(fā)支持下一代物聯(lián)網(wǎng)設備的新工藝技術(shù)方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）變得越來(lái)越重要，設備設計人員現在正在尋找使他們的設備更小、更快和更節能的方法。為了滿(mǎn)足這些需求，瑞薩開(kāi)發(fā)了一種新的工藝技術(shù)，使物聯(lián)網(wǎng)設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)和消費電子產(chǎn)品半導體解決方案的領(lǐng)先提供商，并以其在開(kāi)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(zhuān)注于開(kāi)發(fā)110納米領(lǐng)域的內部低功耗工藝技術(shù)，即MF4。它允許瑞薩開(kāi)發(fā)適用于廣泛終端的超低功耗設備。隨著(zhù)我們邁向一個(gè)從汽車(chē)到家電的一切都與互聯(lián)網(wǎng)相連的世界，對這種低功耗設備的需求變得越來(lái)越重要，而且隨著(zhù)越來(lái)越多的設備聯(lián)網(wǎng)，對能源消耗的需求也在增加。為了解決這一問(wèn)題，瑞薩開(kāi)發(fā)了一種新的電源管理系統，可降低高達30%的能耗。這個(gè)新系統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(xiàn)提供廣泛的數字和模擬功能，包括各種物聯(lián)網(wǎng)應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計，瑞薩還提供合作伙伴平臺、軟件和開(kāi)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(lái)自傳感器的智能數據到云端。我們誠邀您利用我們先進(jìn)的半導體技術(shù)，滿(mǎn)足您的功耗、性能和安全要求，并幫助您在創(chuàng )紀錄的時(shí)間內提供下一代設計。