從摩爾定律說起

摩爾定律（Moore's law），不知道第一個翻譯成摩爾定律的是何人，law在牛津詞典中有法律、定律、規(guī)律等釋義。在此處我認為稱它為“摩爾規(guī)律”更合適，因為這本來就是英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾的經(jīng)驗之談，并非自然科學(xué)定律。

Moore’s law，來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count

與其他物理科學(xué)定律--焦耳定律，庫倫定律，開普勒和牛頓三定律等相比，聽起來差不多，但實際完全不在一個層面上。這些物理學(xué)定律極大的改變了世界，改變了人類的生活，而摩爾即使不提出這個規(guī)律，集成電路依然會向前飛速發(fā)展，因為它的本質(zhì)是預(yù)測，而非約束。

從市場需求和半導(dǎo)體本身的發(fā)展來看，目前還不能稱之為夕陽產(chǎn)業(yè)，尤其在國內(nèi)。這個提問是14年1月，到現(xiàn)在21年1月，整整七年過去了，依照現(xiàn)有的發(fā)展空間以及市場需求，未來7年依然會平穩(wěn)發(fā)展。

國產(chǎn)替代化和市場需求

中國多年芯片進口總額超過了石油進口。19年中國芯片進口總額約3000億美元，而石油進口總額約2400億美元。操作系統(tǒng)、高端光刻機仍被國外公司壟斷，90%以上傳感器來自國外。[1]

從大型的手機SoC來看， 手機終端商如果使用高通手機芯片，除了要支付芯片購買費用外，還需向高通繳納專利使用費。即使手機終端商不使用高通芯片，仍需要向高通定期報備手機出貨情況，并繳納專利費。高額的進口費用，也造成了每年2000多億的貿(mào)易逆差。芯片的國產(chǎn)替代化勢在必行，這也是國家層面的戰(zhàn)略。

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從中小型的芯片或者傳感器來看，國內(nèi)依然有巨大的市場。目前也有很多公司在做，比如電源管理芯片，MEMS芯片，MCU等。最近幾年新成立的優(yōu)秀IC公司也不少。

半導(dǎo)體行業(yè)從來都不是獨立發(fā)展的，而是依托新的市場需求。除了題主所說的可穿戴設(shè)備，其余還有5G芯片，AIoT芯片，自動駕駛芯片，對半導(dǎo)體來說都是新的機遇。如果說半導(dǎo)體算是夕陽產(chǎn)業(yè)的話，那么很多其他傳統(tǒng)行業(yè)可以說是日落產(chǎn)業(yè)了。

當下芯片技術(shù)的發(fā)展

從現(xiàn)在基于二值邏輯的半導(dǎo)體材料芯片來看，芯片依然會從以下幾個方面發(fā)展：

工藝、材料、架構(gòu)、異構(gòu)、封裝、Chiplet

從突破性的技術(shù)來看，有以下兩個方面：

量子芯片、碳基芯片

工藝

平面晶體管時代，大家認為22nm就是極限，但是FinFET的出現(xiàn)為摩爾規(guī)律的發(fā)展續(xù)命。14年，很多人認為7nm是極限，但如今5nm已經(jīng)量產(chǎn)。

3nm已經(jīng)在研發(fā)的路上了，目前主要是臺積電和三星兩家Foundry。三星的3nm工藝會使用環(huán)繞柵極晶體管(GAA)技術(shù)，而不是現(xiàn)在的FinFET，新的技術(shù)可以讓芯片面積減少35%，功耗下降約50%，與5nm FinFET工藝相比，同樣功耗情況下性能提升33%。

三代晶體管的發(fā)展

GAA全能門與FinFET的不同之處在于，GAA設(shè)計圍繞著通道的四個面周圍有柵極，從而確保了減少漏電壓并且改善了對通道的控制，這是縮小工藝節(jié)點時的基本步驟，使用更高效的晶體管設(shè)計，再加上更小的節(jié)點尺寸，和5nm FinFET工藝相比能實現(xiàn)更好的能耗比。

而臺積電依然采用FinFET，預(yù)計2022年下半年臺積電3nm工藝就會投產(chǎn)。首批客戶包括蘋果，高通、英特爾、賽靈思、英偉達、AMD等。

材料

半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)過近七十年的發(fā)展，半導(dǎo)體材料經(jīng)歷了三次明顯的換代和發(fā)展。第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅、鍺元素等單質(zhì)半導(dǎo)體材料；第二代半導(dǎo)體材料主要是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵、銻化銦；第三代半導(dǎo)體材料主要分為碳化硅SiC和氮化鎵GaN，相比于第一、二代半導(dǎo)體，其具有更高的禁帶寬度、高擊穿電壓、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，在高溫、高壓、高功率和高頻領(lǐng)域?qū)⑻娲皟纱雽?dǎo)體材料。

碳化硅（SiC）相比于硅基，碳化硅擁有更高的禁帶寬度、電導(dǎo)率等優(yōu)良特性，更適合應(yīng)用在高功率和高頻高速領(lǐng)域，如新能源汽車和 5G 射頻器件領(lǐng)域。

隨著芯片在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，半導(dǎo)體材料也在隨之發(fā)展。

架構(gòu)

架構(gòu)對一個芯片的性能來說也是至關(guān)重要的--以Intel最新發(fā)布的第11代酷睿處理器Rocket Lake-S為例，新的架構(gòu)為其帶來了約 19% 的 IPC （每時鐘指令數(shù)）提升，以及更好的 AI 性能。

Rocket Lake-S支持全新的500系列芯片組（可享用8×DMI和USB 3.2 Gen 2×2），并兼容原有的400系列芯片組主板，全新B560芯片組主板則開放了內(nèi)存超頻；其他平臺特性方面，Rocket Lake-S也對內(nèi)存控制器進行了改良、默認支持DDR4-3200，并提供超過20條PCIe 4.0直連通道以支持高性能顯卡及固態(tài)硬盤。

Rocket Lake-S 是英特爾繼續(xù)「打磨」 14nm 的產(chǎn)物，制程潛力基本已經(jīng)被挖掘殆盡，只能靠新的 Cypress Cove 內(nèi)核來提升性能。

異構(gòu)整合

廣義而言，就是將兩種不同的芯片，例如記憶體＋邏輯芯片、光電＋電子元件等，透過封裝、3D 堆疊等技術(shù)整合在一起。換句話說，將兩種不同制程、不同性質(zhì)的芯片整合在一起，都可稱為是異構(gòu)整合。
因為應(yīng)用市場更加的多元，每項產(chǎn)品的成本、性能和目標族群都不同，因此所需的異構(gòu)整合技術(shù)也不盡相同，市場分眾化趨勢逐漸浮現(xiàn)。為此，IC 代工、制造及半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)者紛紛投入異構(gòu)整合發(fā)展，2.5D、3D 封裝、Chiplets 等現(xiàn)今熱門的封裝技術(shù)，便是基于異構(gòu)整合的想法，如雨后春筍般浮現(xiàn)。

封裝

封裝并不能直接提高芯片的性能，但是先進的3D封裝工藝相較于傳統(tǒng)的2D工藝有很多優(yōu)勢：

3D封裝更有效的利用了硅片的有效區(qū)域

3D設(shè)計替代單芯片封裝縮小了器件尺寸、減輕了重量

3D封裝的die直接互連，互連線長度顯著縮短，信號傳輸?shù)酶烨宜芨蓴_更小

臺積電的Wafer-on-Wafer(WoW) 3D芯片封裝工藝，是通過TSV硅穿孔技術(shù)實現(xiàn)了真正的3D封裝，和Intel的Foreros 3D封裝類似，能把多個芯片像蓋房子那樣一層層堆疊起來，甚至能把不同工藝、結(jié)構(gòu)和用途的芯片封在一起。

3D封裝示意圖

Chiplet

Chiplet技術(shù)就像拼圖一樣，把小芯片組成大芯片。
使用Chiplets 有三大好處。因為先進制程成本非常高昂，特別是模擬電路、I/O 等愈來愈難以隨著制程技術(shù)縮小，而Chiplets 是將電路分割成獨立的小芯片，并各自強化功能、制程技術(shù)及尺寸，最后整合在一起，以克服制程難以微縮的挑戰(zhàn)。

此外，基于Chiplets 還可以使用現(xiàn)有的成熟芯片降低開發(fā)和驗證成本。[3]

從上面的分析也可以看出來，異構(gòu)-chiplet-封裝也是相輔相成，共同發(fā)展的。

從突破性的技術(shù)來看，主要有量子芯片和碳基芯片。

相對來說，這兩種技術(shù)目前還處在實驗室研發(fā)階段，距離商用尚遠，從我目前掌握的信息來看，順利的話，量子芯片要十年甚至更久，碳基芯片最快也要五年左右。

溫戈說：

有的人在為半導(dǎo)體是否會成為夕陽產(chǎn)業(yè)而擔(dān)心，卻也有人在問怎樣才能不錯過半導(dǎo)體的風(fēng)口。作為個人，不如踏踏實實的走好每一步，杞人憂天和投機取巧都是不可取的。

不要以為摩爾規(guī)律失效，芯片就走到盡頭。人們?yōu)榱藢鼓柖傻氖В粩嘣谘邪l(fā)新技術(shù)，新材料為摩爾定律續(xù)命，同時也在不同的方向進行探索。

芯片作為一個基于多門學(xué)科并包含眾多高精尖技術(shù)的人造物巔峰產(chǎn)品，也決定了它的發(fā)展也是多方向的，半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展對我們國家或者人類來說意義深遠。

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