「虚拟」摩尔定律时代来临？

台湾半导体产业协会（TSIA）理事长卢超群（Nicky Lu）正期待「虚拟」摩尔定律（“virtual”Moore’s Law）时代的来临，因为它将有机会为芯片产业再次迎来成长和盈利。

「半导体产业即将出现另一个30年的成长期。」卢超群在接受《EE Times》采访时预测，「我们即将见证『实质』的1nm制程技术出现。届时摩尔定律将以『虚拟的』摩尔定律形式存在。」

半导体产业需要再次起飞。管理咨询机构麦肯锡（McKinsey）在2015年的一份报告中指出，从1995年到2008年，这个领域出现了7%的复合年成长率（CAGR），为股东带来较整个股票市场更高三倍的投资报酬。现在，情况明显有了很大的变化。

尽管有些半导体公司持续成长以及不断并吞较小规模的竞争对手，但这个领域的整体成长和营收却一直在下滑。

卢超群认为，半导体产业将有机会摆脱年营收约4,000亿美元的停滞期，并在1nm时实现1兆美元的营收前景。他在日前于日本富山市举行的「IEEE亚洲固态电路会议」上发表《新晶片途径》（A New Silicon Way）一文，描绘了一个突破芯片传统线性微缩限制的新时代。

线性微缩明显已经达到实体极限了。卢超群指出，「人们经常说致力于10nm制程，但你其实找不到任何线宽达到10nm的这个等级。」

摆脱2D平面

这正是技术发展转而采取非线性路线的原因。2011年，英特尔（Intel）发布了三闸极（Tri-gate）技术，率先从平面开发的芯片上电晶体转向三维（3D）结构。采用3D结构后，即使是微缩0.85倍也能让晶体管密度达到像是以2D平面方式实现0.5倍微缩的效果，卢超群指出。

其它公司也纷纷追随这一趋势。东芝（Toshiba）建构了48个层3D NAND，这款內存已经用在苹果（Apple）的iPhone 7智慧型手机上。三星（Samsung）更进一步打造64层闪存元件。尽管其技术水准大约只有32nm，但实际上等同于13nm的效果，卢超群表示。

「我们现在正处于采用垂直晶体管的‘Silicon 2.0’时代，微缩参数大约在0.8至0.85之间。」他指出，「而到了‘Silicon 3.0’就会像是一种3D的形式。我们将见证越来越多的业者朝此方向发展。」

正如卢超群在发表的论文中所描述的，他预计在‘Silicon 4.0’将出现飞跃式进展。在当前3.0基础上的技术进步催生了许多新的应用，如扩增实境（AR）、虚拟实境（VR）和机器智慧，他表示。下一个阶段则是他所谓的「异质整合」（heterogeneous integration），或透过像整合式扇出（InFO）等技术实现硅晶和非硅晶材料的整合。

展望InFO和更先进技术

InFO是台积电（TSMC）公司开发的一种封装技术，由于将接合焊盘放在硅晶边缘，因而不需要再与基板互连。InFO可以使封装厚度减小20%、速度提高20%，同时提高10%的热性能。

英飞凌科技（Infineon Technologies）在2008年将这种技术发展成为嵌入式晶圆级球门阵列（eWLB），用于削减成本和封装厚度，同时提升元件的整合度。然而，在台积电推出商用化InFO之前，良率问题一直阻碍着这种新技术的导入。

「这种新的InFO结构将引领异质整合进入Silicon 4.0时代。」卢超群表示，「另一项创新是直通互连通孔（TIV）技术，它就像是利用一条管柱使芯片与外部连接。这样就能同时为芯片内部与外部实现水平和垂直互连能力。这是异质整合持续发展的关键。过去由于没有InFO技术因此无法实现TIV。」

如今，藉由InFO技术，芯片可以直接连接诸如透镜、感测器或致动器等目前嵌入于系统中但仍未微型化的元件，卢超群指出。

「这就是使用InFO实现的芯片与非芯片的异质整合。」他表示，「目前这些元件全部都被安装在印刷电路板（PCB）上，需要消耗很多功率。现在我们离最佳化的功耗还有5个数量级。」

在卢超群看来，这正是代工厂、芯片设计者和系统公司得以展开合作的新机会。芯片领域目前的整体产业规模约有3,000亿美元，但消费性电子则是一个拥有高达1.6兆美元的产业，他指出。

系统制造商需要异质整合来打造体积更小、功耗更低的元件，卢超群表示。

「未来将会十分顺利地过渡到这些新技术，毕竟我们距离摩尔定律的终结还有两代之遥。」卢超群表示，「三闸极、3D NAND和InFO等技术的进展如今都非常顺利。未来，芯片将持续微缩到5nm，而能够实现等效于1nm平面构架的性能。」