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盘点半导体产业十大重要创新

时间:2018-9-8, 来源:互联网, 资讯类别:行业统计

在昨日举办的国际半导体展(SEMICON TAIWAN)中,已经退休的台积电创办人张忠谋出席了相关论坛并发表了演讲,张忠谋以“从半导体的重要创新看半导体公司的盛衰”为主题,回顾了整个半导体产业发展的历程,并例举了自己心中十大半导体产业重要创新,并表示这些创新是推动半导体市场成长的主要动能!

同时,张忠谋还对未来半导体产业的发展进行了预估,表示未来10到20年,半导体产业成长幅度会比全球GDP成长率高出200到300基点,整体半导体业产值年成长率将达到5%-6%,将比全球GDP高出2%-3%;虽然各项技术仍会面临盛衰,但未来创新的空间还是很大。

这十大创新主要包括电晶体、积体电路、存储器、封测代工及晶圆代工等技术,对此,芯方式进行了简单的盘点和回顾,共同来瞻仰一下十大推动半导体产业快速发展的重要创新!

十大创新第一位:贝尔实验室电晶体

电晶体被认为是现代历史中最伟大的发明之一,在重要性方面可以与印刷术,汽车和电话等的发明相提并论。电晶体实际上是所有现代电器的关键驱动(ACTIVE)元件。电晶体在当今社会的重要性主要是因为电晶体可以使用高度自动化的过程进行大规模生产的能力,因而可以不可思议地达到极低的单位成本。

第一个电晶体是1947年发明的,出自贝尔实验室。发明者有三位,分别是约翰·巴定、威廉·肖克莱和华特·布莱登。

十大创新第二位:矽电晶体

电晶体(TRANSISTOR)是一种固态半导体元件,可以用于放大、开关、稳压、信号调制和许多其他功能。电晶体作为一种可变开关,基于输入的电压,控制流出的电流,因此电晶体可做为电流的开关,和一般机械开关(如Relay、SWITCH)不同处在于电晶体是利用电讯号来控制,而且开关速度可以非常之快,在实验室中的切换速度可达100GHz以上。

1947年贝尔实验室发明了电晶体之后,1954年德州仪器发明了矽电晶体,这让当时掌握创新技术的德州仪器成为了市场赢家!

十大创新第三位:集成电路

集成电路,英文为INTEGRATED CIRCUIT,缩写为IC;顾名思义,就是把一定数量的常用电子元件,如电阻、电容、晶体管等,以及这些元件之间的连线,通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。

为什么会产生集成电路?我们看一下1942年在美国诞生的世界上第一台电子计算机,它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物,里面的电路使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线,耗电量150千瓦。

显然,占用面积大、无法移动是它最直观和突出的问题;如果能把这些电子元件和连线集成在一小块载体上该有多好!有很多人思考过这个问题,也提出过各种想法。

典型的如英国雷达研究所的科学家达默,他在1952年的一次会议上提出:可以把电子线路中的分立元器件,集中制作在一块半导体晶片上,一小块晶片就是一个完整电路,这样一来,电子线路的体积就可大大缩小,可靠性大幅提高。这就是初期集成电路的构想。

晶体管的发明使这种想法成为了可能,1947年在美国贝尔实验室制造出来了第一个晶体管,而在此之前要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管。晶体管具有电子管的主要功能,并且克服了电子管的上述缺点,因此在晶体管发明后,很快就出现了基于半导体的集成电路的构想,也就很快发明出来了集成电路。

1958年:仙童公司罗伯特·诺伊斯(RobertNoyce)与德仪公司杰克·基尔比(Jack Kilby)间隔数月分别发明了硅集成电路和锗集成电路,开创了世界微电子学的历史。

十大创新第四位:摩尔定律

摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为: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。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。

这一定律揭示了信息技术进步的速度。

尽管这种趋势已经持续了超过半个世纪,摩尔定律仍应该被认为是观测或推测,而不是一个物理或自然法。预计定律将持续到至少2015年或2020年。然而,2010年国际半导体技术发展路线图的更新增长已经放缓在2013年年底,之后的时间里晶体管数量密度预计只会每三年翻一番。

“摩尔定律”对整个世界意义深远。在回顾40多年来半导体芯片业的进展并展望其未来时,信息技术专家们认为,在以后“摩尔定律”可能还会适用。但随着晶体管电路逐渐接近性能极限,这一定律终将走到尽头。40多年中,半导体芯片的集成化趋势一如摩尔的预测,推动了整个信息技术产业的发展,进而给千家万户的生活带来变化。

十大创新第五位:MOS技术

传统的电晶体我们称之为双极电晶体(bipolar transistor),由於此种电晶体生产程序上的先天限制,使得我们很难在一个芯片上制出元件密度很高的集成电路出来,因此目前所谓的LSI(Large Scale Integration大型积体)都是用MOS方法制造的。

所谓MOS乃是Metal OxideSemiconductor诸英文字的缩写,利用此种技术可以把集成电路做得更小且其包含的元件更多。而且在制造的程序上MOS的制作也要比制造传统电晶体简单。

我们都知道一个产品要能在市场上竞争,不外乎品质优异,价格低廉, MOS的制作程序简单故成本较低。体积和重量的减少也是使集成电路受到普遍重视与喜好的原因之一,当然这些原因较诸成本的降低就显得无足轻重了。MOS技术的出现也让摩尔定律得以延续!

十大创新第六位:存储器

存储器,是半导体行业三大支柱之一。存储器就类似于钢铁之于现代工业,是名副其实的电子行业“原材料”。如果再将存储器细分,又可分为DRAM、NAND Flash和Nor Flash三种,其中DRAM主要用来做PC机内存(如DDR)和手机内存(如LPDDR),两者各占三成。

DRAM领域经过几十年的周期循环,玩家从80年代的40~50家,逐渐减少到了08年金融危机之前的五家,分别是:三星(韩)、SK海力士(韩)、奇梦达(德)、镁光(美)和尔必达(日),五家公司基本控制了全球DRAM供给,终端产品厂商如金士顿,几乎没有DRAM生产能力,都要向它们采购原材料。经过几次“反周期定律”和洗牌,DRAM领域最终只剩三个玩家:三星、海力士和镁光。

近两年来存储行业的强势价格走势,已经极大地影响了国内智能手机产业乃至整个 IC 芯片行业的发展。现在不论是资本方、产业链还是终端的消费者,对内存相关的消息都异常地敏感和警惕。

但在政策和企业的大力发展下,今年下半年,国内三大存储厂商长江存储、福建晋华、合肥长鑫将相继进入试产阶段,中国存储产业将迎来发展的关键阶段。国产内存虽然暂时难以撼动三星、美光、SK海力士等国际存储巨头的地位,但或将对全球存储市场价格走势产生影响。

十大创新第七位:封装与测试

半导体生产流程由晶圆制造、晶圆测试、芯片封装和封装后测试组成。半导体封装测试是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。

其中,封装是保护芯片免受物理、化学等环境因素造成的损伤,增强芯片的散热性能,以及将芯片的I/O端口联接到部件级(系统级)的印制电路板(PCB)、玻璃基板等,以实现电气连接,确保电路正常工作。

测试主要是对芯片、电路以及老化后的电路产品的功能、性能测试等,外观检测也归属于其中。其目的是将有结构缺陷以及功能、性能不符合要求的产品筛选出来。

在集成电路产业市场和技术的推动下,集成电路封装技术不断发展,大体经历以下三个技术阶段的发展过程:

第一阶段是1980年之前以为代表的通孔插装(THD)时代。这个阶段技术特点是插孔安装到PCB上,主要技术代表包括TO(三极管)和DIP(双列直插封装),其优点是结实、可靠、散热好、功耗大,缺点是功能较少,封装密度及引脚数难以提高,难以满足高效自动化生产的要求。

第二阶段是1980年代开始的表面贴装(SMT)时代,该阶段技术的主要特点是引线代替针脚,由于引线为翼形或丁形,从两边或四边引出,较THD插装形式可大大提高引脚数和组装密度。最早出现的表面贴装类型以两边或四边引线封装为主,主要技术代表包括SOT(小外形晶体管)、SOP(小外形封装)、QFP(翼型四方扁平封装)等。采用该类技术封装后的电路产品轻、薄、小,提升了电路性能。性价比高,是当前市场的主流封装类型。

在电子产品趋小型化、多功能化需求驱动下,20世纪末期开始出现以焊球代替引线、按面积阵列形式分布的表面贴装技术。这种封装的I/O是以置球技术以及其它工艺把金属焊球(凸点)矩阵式的分布在基板底部,以实现芯片与PCB板等的外部连接。

该阶段主要的封装形式包括球状栅格阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、晶圆级芯片封装(WLP)、多芯片封装(MCP)等。BGA等技术的成功开发,解决了多功能、高集成度、高速低功耗、多引线集成电路电路芯片的封装问题。

第三阶段是21世纪初开始的高密度封装时代。随着电子产品进一步向小型化和多功能化发展,依靠减小特征尺寸来不断提高集成度的方式因为特征尺寸越来越小而逐渐接近极限,以3D堆叠、TSV(硅穿孔)为代表的三维封装技术成为继续延续摩尔定律的最佳选择。

十大创新第八位:微处理器

中央处理器是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件,伴随着大规模集成电路技术的迅速发展,芯片集成密度越来越高,CPU可以集成在一个半导体芯片上,这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件,被统称为“微处理器”。需要注意的是:微处理器本身并不等于微型计算机,仅仅是微型计算机的中央处理器。

微处理器从最初发展至今已经有四十多年的历史了,这期间,按照其处理信息的字长,微处理器可以分为:4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器,可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。

由于微处理器可用来完成很多以前需要用较大设备完成的计算任务,价格又便宜,于是各半导体公司开始竞相生产微处理器芯片。其中以英特尔公司的最为出名!

如今,微处理器已经无处不在,无论是录像机、智能洗衣机、移动电话等家电产品,还是汽车引擎控制,以及数控机床、导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器。微处理器不仅是微型计算机的核心部件,也是各种数字化智能设备的关键部件。国际上的超高速巨型计算机、大型计算机等高端计算系统也都采用大量的通用高性能微处理器建造。

十大创新第九位:VLSI与矽智财(IP)

VLSI是超大规模集成电路(Very LargeScale Integration)的简称,指几毫米见方的硅片上集成上万至百万晶体管、线宽在1微米以下的集成电路。由于晶体管与连线一次完成,故制作几个至上百万晶体管的工时和费用是等同的。大量生产时,硬件费用几乎可不计,而取决于设计费用。

超大规模集成电路是70年代后期研制成功的,主要用于制造存储器和微处理机。超大规模集成电路研制成功,是微电子技术的一次飞跃,大大推动了电子技术的进步,从而带动了军事技术和民用技术的发展。超大规模集成电路已成为衡量一个国家科学技术和工业发展水平的重要标志。也是世界主要工业国家,特别是美国和日本竞争最激烈的一个领域。

矽智财是指集成电路设计所涉及的知识产权,在现今的半导体产业,被用来指一种满足特定规格、事先定义、设计、验证、可重复使用的功能模块;其在芯片设计中是专指具备特定功能的集成电路设计技术,且由设计人员开发出的一种模块化功能元件,可与其他元件相配合,组成具备更复杂功能的IC。半导体产业界里大致都有着相当程度的认知,业界也常称为IP和SIP(Semiconductor IP或 SILICON IP的缩写)。

十大创新第十位:晶圆代工

晶圆代工或晶圆专工(Foundry),半导体产业的一种营运模式,专门从事半导体晶圆制造生产,接受其他IC设计公司委托制造,而不自己从事设计的公司。

有些拥有晶圆厂的半导体公司,如英特尔(Intel)、AMD等,会因产能或成本等因素,也会将部份产品委由晶圆代工公司生产制造。台积电、联电为世界排名第一与第二的晶圆代工公司。反之,专门从事IC电路设计而不从事生产且无半导体厂房的公司称为无厂半导体公司(Fabless)。

无厂半导体公司依赖晶圆代工公司生产产品,因此产能、技术都受限于晶圆代工公司,但优点是不必自己兴建、营运晶圆厂。

随着芯片制成微缩、晶圆尺寸成长,建设一间晶圆厂动辄百亿美金的经费,往往不是一般中小型公司所能够负担得起;而透过此模式与晶圆代工厂合作,IC设计公司就不必负担高阶制程高额的研发与兴建费用,晶圆代工厂能够专注于制造,开出的产能也可售予多个用户,将市场波动、产能供需失衡的风险减到最小。

总结

以上十大半创新对整个半导体产业的重要性不言而喻,同时对人类生活质量的改变有极为突出的贡献。

张忠谋表示,1985年之后虽然没有重大的创新,但仍有许多创新处于现在进行式,包括2.5D/3D封装、EUV微影技术出现、人工智慧及机器学习、碳导管及石墨烯等新材料。

整体来看,半导体产业会持续成长,预期半导体产业将以超过全球GDP成长的速度持续增长,产业将需要更多创新技术。

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