cmos|用尽元素周期表,能否将半导体微缩坚持到底?

半导体微缩的过程就是不断采用新技术、新材料、新思路,英特尔在IEDM 2021上发表了多篇关于半导体微缩的技术文章,英特尔可以说是把元素周期表的元素用得差不多了,这足以体现英特尔想在2025年左右重回制程技术领先位置的决心。
一块芯片的研发
一块计算机芯片之旅始于设计,第一步,由芯片架构师,逻辑设计师和电路设计师利用计算机绘制图纸(蓝图)。第二步光罩制作,工程师把电子版蓝图转换成被称为“光罩”的玻璃模板,以用于光刻制造。第三步制造,身穿洁净室防尘服的技术人员使用众多机器,在硅晶圆上创建电路和器件层,每个晶圆将包含数百个芯片。第四步晶片分拣,晶圆成品被切割成晶片(或计算机芯片),并放在卷轴上。第五步封装测试,技术人员对每个晶片进行最终测试,然后将它们安装到散热片和基板之间,形成一个光滑、封闭的封装。第六步,专业物流人员把芯片运送给客户或全球分销中心,然后再由他们交付给制造商,或放进包装盒里直接
零售。
现在,大规模制造所需要的最先进的逻辑电路制造技术,可能要在工厂里待5个多月,经历2000多道工序,芯片制造越来越复杂。在芯片的整个过程中,工艺制程和封装的作用越来越凸显。
每个新制程节点可能带来:一,更高的组件密度,这使得现有功能模块(IP)占用更小的芯片面积,也能为更好的芯片提供诸多选项,包括通过IP倍增,获得更高的吞吐量,增加新的IP来获取新特性和功能、缩小整体芯片,降低成本。二,能效更高、更快速的运算。三,更高的动态范围,提高空闲时的能效,提高满负荷的最大速度。“对于真正从事这个行业的人而言,制程节点的重要性是因为它可以带来可预测性。摩尔定律是一个经济定律,但是基本上它是让整个工业界有一个前进的方向。”英特尔制造、供应链和营运集团副总裁、战略规划部联席总经理卢东晖博士如是说。
以前传统的封装只是在芯片装完之后起到保护(防尘防水)和连接的功能,正如右侧的英特尔处理器示意图所示,中间是裸片,它会被固定到基板(左侧),并被散热片覆盖(右侧),这个封闭的结构称作“封装”。它把晶片上微米大小的功能模块连接到计算机主板上毫米大小的功能模块,保护晶片不被污染、为晶片散热和供电,并且逐渐以全新的方式整合多个晶片。
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文章插图
但现在芯片的功能越来越多,现在封装起到一个重新架构的作用。因为现在芯片的功能越来越多,仅集成在一个芯片上的成本非常高,里面有一些功能模块不需要更新制程,有些功能模块需要非常高的先进制程,所以最好的办法是把不同的功能模块根据它自身技术分开,然后用封装手段把它封装在一起,这样可以利用局部优化,来达到在封装层面上重新架构。对用户而言,用户体验是一样的,因为封装对他来说还只是一个芯片,但是对于制造商而言,这样可以更加优化成本,也可以更加优化电路设计。封装确保了芯片设计不要局限于必须只用一种制程技术,而且可以给客户提供更大的定制化要求。
现在新建一个晶圆厂大约需要100-150亿美元,如果一个工厂有3万多平米,这个工厂就相当于6个橄榄球球场面积。一个晶圆厂通常能创造的关于建造、高科技和支持性工作岗位数量有12000个。全球半导体行业去年的营收是4400亿美元,而Gartner预测到2030年大概会增加到1万亿美元。这些足以显示出芯片的重要性。