台积电陈平:半导体在未来所依靠的三大法宝

2019-06-25

“每一个时期的重大发明都会改变我们的生活,19世纪的钢铁,20世纪的汽车飞机等等,在推动发展力的同时也让社会蓬勃发展。而着重要说的就是20世纪中期半导体晶体管的发明,这一项发明让社会产生了巨大的变化。基于半导体建立的IT技术,让世界变成一个“村”,人类从此进入互联时代。”在2019海峡两岸集成电路产业合作发展论坛上,台积电中国区业务发展副总经理陈平谈到科技对社会的影响。

 

发展动力强劲的半导体产业

 

半导体的出现彻底改变了我们的生活,集成电路发展到现在不过60年,最早出现的时候,产品规模全球每年只有几千到几万台;7、80年代开始,电子器件普及,产品规模一年达到数亿台;而到了最近几年,手机等消费电子开始流行,每年产品规模可以达到几十亿。人类的生活在不断发生改变,越来越大的需求在不断推动新技术的产生,移动终端、高速计算平台、IOT以及自动驾驶等等,带来无数商机。

 

半导体产业的发展动力很强,原因无他,源于人类对美好生活的向往,陈平说道。在过去的十年里,智能机、互联网的兴起推动社会产生了巨大变革,因此社会对半导体技术的期待与日俱增。所谓“由俭入奢易,由奢入俭难”,人类已经没有办法去适应落后的设备,如今手机即将进入5G时代,AI也在悄悄改变人类的生活,所有这些最前沿高端的技术,最底层的机制都是芯片。

 

5G时代,每天都会产生大量的数据,为了处理这些爆炸式增长的数据,芯片需要拥有低功耗,低延时,高计算能力以及高带宽等性能,因此能效比也成了如今制造芯片的关键指标。这些听上去矛盾的性能要怎么实现?

 

三大法宝应对庞大的半导体需求

 

陈平提出了这几点思考:

 

1.如果想提升技术,必须延续摩尔定律的发展

 

陈平解释道,所谓的摩尔定律就是当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,这其实是非常激进的理论,但从1987年的3μm,到如今已经开始量产的7nm,大家似乎都不约而同的选择遵守并追赶摩尔定律。

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“就台积电来说,7nm量产已经超过一年,5nm已经进入初期量产阶段,明年年底将实现量产, 3nm也已经在来的路上了,值得一说的是,我们的2nm的研发也已开始。我们在不断追赶摩尔定律,它还在继续前进,并没有失效。”陈平说道。

 

而不断改进缩小的工艺到底有什么用?陈平给出了这样一个例子。大家都知道华为目前大部分手机都采用自家芯片,华为mate20是其中比较火的一款手机。这款手机配备的就是华为麒麟980芯片。这款芯片集成了69亿个晶体管,拥有非常强大的性能以及极低的功耗,而这一切都是在7nm的工艺上实现的。

 

工艺的微缩进展得益于全行业的不断创新,摩尔定律走到尽头的言论在1992年就已经有人提起,但这么多年来却一直在延续,唱衰还言之过早,陈平称。

 

对于芯片制造来说,光刻机是非常重要的一部分。光刻机在发展193nm的时候停顿了很多年,最终靠浸润式技术实现了突破。如今所用的7nm技术就是依靠193nm的光刻机去实现的。如今光刻设备公司有了重大突破,euv技术让光刻不在成为微缩的瓶颈,同时新材料也有了突破,这正是陈平有自信说出摩尔定律不会终止的原因。

 

2.大量引进3D集成概念

 

虽然目前技术在不断进步,但终端产品出现越来越多的要求,需要高速的逻辑芯片以及存储器、射频芯片等等,像以往在一个平面上摊大饼显然就不合适了,这样子意味着芯片高功耗以及大面积等,与所追求的目标完全是相反的。

 

因此,陈平提出,目前的方法是用半导体晶片板代替集成电路板,下面布线,把不同的芯片接在下方,如果把芯片平行放置,这种方法被称之为2.5D系统,如果垂直放置,就被称为3D系统。而台积电目前已量产2.5D系统,3D系统也正在开发,就这个方向来说,发展速度与摩尔定律是平行的。

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作为例子,陈平提到CoWoS这个技术,它是2.5D系统的代表。原先因为价格昂贵被多家弃用,而随着制程推进到16纳米FinFET,以及异质芯片整合趋势成形,目前已有多家厂商订购,2.5D系统可以提供高速计算,是目前比较通用的技术。

 

陈平还提到另一个趋势-先进封装技术,把不同工艺通过异构集成组合在一起,用完全不同的工艺制造出来的芯片集合在一起,不仅可以保存功能,还能尽可能缩小体积。

 

3.硬件与软件的协同优化

 

对于产品的生产来说,硬件很重要,软件也不能忽视。陈平说,在早先研发工艺的时候,采用的是机械方法,现在不一样,你需要看最终的设计是否是最优化的方案。因此在工艺开发的时候需要与客户紧密合作,而不能以指标作为最终目的。

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在系统层面上来说,以前的gpu,cpu等优点是比较通用,可编程。但缺点也很明显,效率比较低,用硬件加速的话,功能都是特定的,灵活性不好。现在的设计将硬件加速器变成高效速率器件,同时带有可编程、可设计功能,这是在系统层面的大方向。

 

就陈平来看,未来soc的结构基本都会硬软件相互配合优化。而台积电也将对系统段的优化非常关注。

 

最终,陈平总结道,半导体产业的需求很高,现在要求已经从单一型变成综合的能效型,为了把整个系统做好,这三大法宝是必不可少的。

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