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26
2023
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07
科普分享 | 半導體加工技術的歷史、趨勢和演變
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半導體行業正在經歷數字、模擬、工具、制造技術和材料方面的巨大進步。 芯片開發在從設計到生產的各個層面都需要高度精密和復雜的過程。推進這一過 程需要從建筑設計到可持續材料和端到端制造的重大變革，以滿足對半導體不斷 增長的需求。為實現這一目標，業界正在采用最新技術來提高高度先進工藝節點 的效率和產量。
半導體，物聯網和數字化轉型的支柱
我們正在見證物聯網（IoT）、智能設備和最近的 5G 領域的重大進步。要了 解這些創新將引領我們走向何方，以及我們應該對它們有何期待，我們需要對使 這一新的創新浪潮成為可能的基礎技術有一個基本的了解。隨著半導體技術驅動 的物聯網（IoT）和 5G 的發展，人工智能的演進將比以往任何時候都更快。在過 去的 30 年里，半導體技術的發展一直是計算能力增長的原動力。據說半導體約 占計算硬件成本的 50%。基于半導體技術，人工智能計算設備與社會的融合將 更加無縫和無孔不入。一個例子是自動駕駛汽車，它使用無處不在的移動邊緣計 算和復雜的算法來處理和分析駕駛數據。基于 5G 通信基礎設施，人工智能（AI） 和機器學習使用計算機視覺了解周圍場景，然后規劃和執行安全駕駛操作。這使 出行更安全、更智能、更高效。物聯網設備幾乎可以將任何產品變成智能設備， 從供水系統到服裝。零售、醫療保健、生命科學、消費品和工業物聯網都有很高 的需求。
未來的創新還將使個性化芯片更容易獲得，并使芯片生產更有效，最重要的 是，更具可持續性。隨著互聯設備越來越普遍，物聯網（IoT）對半導體行業非 常重要。隨著智能手機行業停滯不前，半導體行業必須尋找其他具有增長潛力的 途徑。盡管面臨挑戰，物聯網仍然是該行業最合乎邏輯的選擇。沒有傳感器和集 成電路，物聯網應用就無法運行，因此所有物聯網設備都需要半導體。多年來推 動半導體行業增長的智能手機市場已經開始趨于平穩。物聯網市場可以為半導體 制造商帶來新的收入，并在可預見的未來保持半導體行業以 3%至 4%復合年增長 率的增長。
半導體的大趨勢和未來機遇
半導體技術工藝節點是衡量芯片晶體管和其他組件尺寸的指標。這些年來節 點的數量一直在穩步增加，導致計算能力相應增加。節點通常意味著不同的電路 世代和架構。一般來說，更小的技術節點意味著更小的特征尺寸，這會產生更小、 更快、更節能的晶體管。這種趨勢使我們能夠開發更強大的計算機和更小尺寸的 設備。工藝節點和 CMOS 晶體管性能之間存在關系。頻率、功率和物理尺寸都受 工藝節點選擇的影響。這就是了解半導體工藝如何隨時間演變的重要性的原因。 半導體技術節點的歷史可以追溯到 20 世紀 70 年代，當時英特爾發布了第一款微 處理器 4004。從那時起，由于半導體技術節點尺寸的進步，我們看到計算能力 呈指數級增長。這使我們能夠創造出更小、功能更強大的設備，例如智能手機、 平板電腦和可穿戴設備。Apple A15 Bionic 是當今大多數 Apple 最新產品的核心， 采用 7 納米節點技術的近 40 億個工作晶體管。
工藝節點在半導體技術中的作用
半導體節點是決定微控制器性能的關鍵因素。隨著技術的進步，每個微控制 器中的節點數量不斷增加。這一趨勢在過去幾年中已經觀察到，預計今后將繼續 下去。技術節點(也稱為工藝節點、工藝技術或簡稱為節點)是指特定的半導體制 造工藝及其設計規則。不同的節點通常意味著不同的電路世代和架構。一般來說， 工藝節點越小，特征尺寸越小，晶體管越小，速度越快，越節能。歷史上，工藝 節點名稱指的是晶體管的許多不同特性，包括柵極長度和 M1 半節距。最近，由 于各種營銷活動和代工廠之間的分歧，這個數字本身已經失去了它曾經擁有的確 切含義。較新的技術節點，如 22 納米、16 納米、14 納米和 10 納米，僅指采用 特定技術制造的特定世代芯片。它不對應于柵極長度或半間距。盡管如此，命名 約定還是得到了尊重，這就是主要代工廠對節點的稱呼。
早期的半導體工藝有任意的名稱，例如，HMOS III，CHMOS V。后來，每個 新一代工藝都被稱為技術節點或工藝節點，以工藝晶體管的納米（或歷史上的 1 微米）工藝的最小特征尺寸來表示柵極長度，例如“90 納米工藝”。然而，自 1 994 年以來，情況發生了變化，用于命名工藝節點的納米數已成為一個營銷術語， 與實際特征尺寸或晶體管密度（每平方毫米的晶體管數量）無關。
技術節點流程的演變
本質上，技術節點是對應于晶體管的物理特征尺寸。最初，每個微控制器都 是由晶體管組成的，晶體管基本上是控制電流流動的開關，允許微控制器執行其 邏輯功能。諸如 28 納米或 65 納米的技術節點指的是可以繪制在布局上的最小數 據圖形特征（半個間距或柵極長度）。然而，技術節點的命名沒有標準化。諸如 28 nm 或 65 nm 之類的節點名稱實際上來自傳統平面 MOSFET 配置中所示的晶 體管的最小柵極長度。一般來說，技術節點給出了晶體管在每平方毫米基板上的 密集程度。從 22 納米技術開始，該技術已經轉向鰭式場效應晶體管（FinFET）， 其中 FinFET 后面的架構是三維配置，并且柵極長度的術語不再適合描述工藝技 術。如今，隨著技術從平面結構轉向 FinFET 或全柵極 FET（GAA FET），10 和 5 納米等技術節點不再對應于任何柵極長度或半間距距離。
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