新材料或許能夠解決半導體行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。

摩爾定律并不是真正的自然定律或其他任何東西，但它已經(jīng)很好地估計了半導體技術隨著時間的推移提高系統(tǒng)性能的程度。直到最近，摩爾定律減速遇到了功率和頻率限制。再加上最近的芯片短缺，充分利用可以制造的硬件很重要。

解決這些限制的一種方法是在半導體工藝中使用新材料。本文中記錄了與Atomera 的Robert Mears 和 Jeff Lewis 討論了他們的解決方案。

關于摩爾定律是否正在放緩，如果是，速度有多快，有很多爭論。您有何看法？您如何看待這對半導體發(fā)展的影響？

摩爾定律今天有多種定義。在 Gordon Moore 1965 年的原著《將更多組件塞進集成電路》中，他解釋說，在每一代中，都會有一個理想的集成點，每個“組件”的成本最低（圖 1）。使用少于最小值的組件會增加成本，因為沒有實現(xiàn)集成的全部好處，而使用更多的組件是次優(yōu)的，因為降低產(chǎn)量會抵消集成的好處。

圖1

摩爾的論文指出，每年可以實現(xiàn) 2 倍的復雜性增加。換句話說，理想的密度點每代都翻倍，而每個組件的成本減半。

因此，摩爾定律是一種經(jīng)濟模型。Gordon Moore 使用不到 10 年的行業(yè)數(shù)據(jù)以驚人的準確性預測了電子行業(yè)的未來 60 年。它也成為了行業(yè)的路線圖，它定義了每個邏輯節(jié)點的密度將是其前身的兩倍。

根據(jù)這個最初的定義，許多人將“摩爾定律”定義為包含功率、性能、面積和成本 (PPAC) 四個關鍵半導體指標。在這個擴展的定義中，功率被描述為每一代減半，而性能則翻倍。然而，這個時間框架已經(jīng)從最初的一年延長到 18 個月，然后延長到兩年。

然而，功耗和性能是“脫離”摩爾定律曲線的前兩個指標。近 20 年前，晶體管功率的降低速度有所放緩——每個連續(xù)的節(jié)點通常都會降低泄漏電流，但不是每個節(jié)點降低 2 倍。晶體管性能提升不久后放緩；同樣，每個節(jié)點通常更快，但不是 2 倍。

在最初的定義中，關于摩爾定律是否放緩可能存在一些爭論。如果只看晶體管尺寸，那么摩爾定律當然正在放緩，因為每個晶體管的面積并沒有每代縮小 2 倍。同時，節(jié)點命名約定如“180 nm”用于指代晶體管柵極長度；它現(xiàn)在與任何晶體管尺寸都沒有關系，并且最小柵極長度比相應的節(jié)點名稱大得多。

但是，如果將“面積”視為以晶體管/mm 2衡量的芯片面積或密度，那么該度量標準可能仍然是摩爾定律的“最真實”。領先的制造商繼續(xù)實現(xiàn)與摩爾定律相距不遠的密度改進。

例如，在邏輯方面，預計臺積電的 3 納米 N3 工藝將比其 5 納米 N5 工藝提供接近摩爾定律 1.7 倍的芯片密度改進，并且周期為兩年。整個半導體生態(tài)系統(tǒng)通過材料、器件架構和 EUV 等突破性工具的不斷創(chuàng)新實現(xiàn)了這一目標。

然而，摩爾定律放緩甚至逆轉的地方是每個組件的成本。密度翻倍曾經(jīng)將每個晶體管的成本降低一半，這是電子革命的主要推動力。摩爾定律意味著我們將以相同的成本獲得兩倍數(shù)量的晶體管（速度更快，功耗更低）。

如圖（圖 2）所示，這在 40 納米節(jié)點開始放緩，并在行業(yè)轉向 FinFET 時幾乎停止。新節(jié)點實現(xiàn)了“接近摩爾”的芯片尺寸擴展，但這幾乎被爆炸式的晶圓制造成本所抵消。各種分析表明，制造晶圓的成本比 28 納米節(jié)點增加了 3-5 倍，每個 5 納米晶圓的成本接近 18000 美元。

圖2

因此，很明顯，我們過去看到的摩爾定律成本降低正在顯著放緩。我們仍然可以通過在芯片上塞入近兩倍的晶體管來增加每一代的功能，但這些“超級芯片”的成本將比它們的上一代更高，而不是更低。這將對半導體行業(yè)產(chǎn)生深遠的影響：

用于從摩爾定律縮放中獲得的電子產(chǎn)品成本和性能增益已經(jīng)放緩。因此，芯片設計師更多地投資于產(chǎn)品設計和差異化，而不是盲目地追逐最新節(jié)點。

高級節(jié)點只對 CPU、FPGA 和移動處理器有吸引力；對于所有其他應用來說，設計成本變得過高。這種趨勢已經(jīng)持續(xù)了一段時間，但使用最先進節(jié)點的收益減少加速了這一趨勢。

產(chǎn)品生命周期延長。以前，每一代產(chǎn)品都是可以達到的最好的，只是被隨后的上一代產(chǎn)品所掩蓋。今天的電子產(chǎn)品具有更長的使用壽命，因為較新的產(chǎn)品不會像以前那樣提供相對改進。這可能導致半導體需求顯著減少。但是，這將在一定程度上被汽車和工業(yè)設備等長壽命產(chǎn)品中不斷增長的半導體產(chǎn)品市場所抵消。

總而言之，摩爾定律既會放緩，也不會放緩——這取決于你所關注的方面。很明顯，正在放緩的領域將對行業(yè)產(chǎn)生重大影響。

你認為短缺向我們展示了什么？

這種短缺導致許多半導體行業(yè)人士和政府官員討論通過建設新工廠來增加產(chǎn)能的必要性。與全球供應鏈中的許多其他技術不同，資本密集型和延遲相結合的代價是數(shù)十億美元和數(shù)年的啟動和運行。因此，芯片供應無法滿足 JIT（即時訂購）的劇烈波動，因此它對今天的不平衡幾乎沒有作用。

這也有可能導致嚴重的后遺癥效應和周期性——產(chǎn)能繁榮在需求減弱之際上線，導致嚴重的產(chǎn)能過剩問題。產(chǎn)能問題不僅處于領先地位。事實上，一些最大的限制來自于傳統(tǒng)的 200 毫米晶圓廠。

投資后置是有問題的，因為這些晶圓廠的晶圓定價模型通常基于完全折舊的資本設備。投資額外產(chǎn)能意味著在晶圓上增加資本折舊成本，使以具有競爭力的價格進行投資的晶圓廠對那些不投資因此不提高價格的晶圓廠處于劣勢。

這是以小資本支出增加晶圓廠吞吐量的絕佳機會。例如 Atomera 的 Mears Silicon Technology(MST) 等新材料、重新設計的制造或計量流程以簡化晶圓生產(chǎn)量，以及其他工程技術。

這是關于提高產(chǎn)量。我們需要通過在現(xiàn)有工藝節(jié)點內提供一套新的材料改進，使半導體工廠能夠延長其昂貴制造設施的壽命的技術。

Atomera 的 MST 可以解決不平衡問題，而無需高昂的價格標簽和建造新晶圓廠所需的時間。它結合了創(chuàng)新材料、結構和器件物理特性，從而實現(xiàn)了精確的半導體工程，尤其是當晶圓廠公司不愿投資于后緣節(jié)點技術以完善半導體工藝時。

主要的 More-than-Moore (MtM) 技術包括：

新封裝技術（SiP等）

電源/HV/RF 技術

CIS 和其他傳感器

新存儲器（MRAM、ReRAM 等）

讓我們考慮一下列表中的前兩個。新封裝可能是其中最重要的，因為它使小芯片和其他異構晶圓幾乎可以組合在一起，就好像它們在同一個芯片上一樣。這將對整個應用程序和技術領域產(chǎn)生深遠的影響。

功率、高壓和射頻是增長最快的三個半導體市場；功率和高壓的增長依托于復雜電源管理 (PMIC) 的增長以及汽車、工業(yè)和基礎設施的增長；射頻是因為5G、6G帶來的日益復雜的移動通信而增長。

這些市場符合“超越摩爾”的經(jīng)典定義，因為許多大型開關和其他設備需要一定的物理尺寸，并且不能按照摩爾定律的傳統(tǒng)意義進行擴展。

縮小和改進這些設備的最佳方法之一是使用新材料。Atomera 的 MST 已被證明可以使用相同的工藝節(jié)點和設備組將這些大型電源開關的尺寸顯著減小 30% 或更多。

公司也在加大力度使用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 基板來制造成本更低、損耗更低的功率器件。超越摩爾技術是現(xiàn)在和未來芯片供應鏈中斷的解決方案，可以保護該行業(yè)免受未來此類短缺的影響。

審核編輯 ：李倩