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莫大康:定律可以進入倒計時的終點
(2025年7月9日更新)

摩爾定律在業內經常被討論接近終點,但由于站立角度不同,觀點不同,也很正常。

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推動半導體行業進步有兩個輪子,即尺寸縮小和硅片直徑增大,其中尺寸縮小是第一位的。從邏輯工藝觀察,從1987年的3微米工藝到2022年的3納米大規模生產,每兩年開發一代新工藝,是邏輯工藝工藝動蕩的35年。

英特爾在邏輯過程中做出了巨大的貢獻,比如2001年發明的應變硅(strained silicon)45納米用于90納米和2007年HKMG(高k金屬柵極)和2011年22納米推出的3D Tri-Gate/FinFET工藝。

但7納米也是如此FinFET工藝的極限必須依賴于向下的節點EUV光刻機設備。

隨著時間的推移,由于各種原因,臺積電在邏輯第一名。ASML在EUV設備與工藝長期共同研發中,設備與工藝的密切合作,反映了工藝進步離不開設備的支持。

DRAM工藝不同于邏輯工藝,它不是0.7x倍,不同的命名方法從20納米節點開始,以前使用過1x、1y、1z工藝,后來又有了1α、1β和1γ工藝。

目前三星的DRAM工藝最先進,2020年率先開發1z工藝DRAM,大概是在15nm水平工藝。隨后,2021年研發成功宣布α工藝DRAM,轉換為14nm水平工藝是第一次使用EUV光刻。近日有消息稱,三星已停止相關研發,這意味著三星已停止研發DRAM的13nm水平工藝研發可能已經失敗。

為什么定律可能進入終點倒計時?

僅從尺寸縮小的角度來看,特別是在邏輯過程中,臺積電將于2022年進入3納米試生產。下面可能有1-2個節點,但由于物理極限的影響,硅原子直徑約為1納米,因此縮小尺寸是正常的。

據中國臺TXC代理灣digitimes reserch月產5萬片的3納米芯片生產線需要投資約200億美元。

由于臺積電3納米工藝的報價被業內人士泄露,EUV掩膜層數高達26層,3納米工藝12英寸晶園的報價高達萬美元,幾乎是5納米工藝報價9346美元的3倍多。

行業傳臺積電不僅是時間上的可能延遲,而且最早說3納米工藝可以提高邏輯電路晶體管的密度1.8倍,然后變成1.7倍,去年變成1.6倍;公布的性能和功耗性能改進數據也被反復修改,似乎沒有固定數據。

但總裁魏哲家在2022年第一季度法說會上再次明確表示,3納米將于2022年下半年量產,2納米可能于2025年。

另外,半導體行業的進步離不開設備的支持,行業共識將在2納米工藝中采用環柵GAA架構及高值孔徑NA達0.55的EUV光刻機。據ASML新的報道EXE:5200 EUV光刻機將于2025年發貨。

據《韓國商業郵報》報道,三星正在努力提高其3納米環柵結構的工藝良率,傳聞其良率剛剛達到10%至20%。三星4納米工藝制造的良率也不盡如人意,只有30-35%。

今年3月初,有傳言稱三星3納米芯片的良率只有35%,導致一些大客戶離開,轉向臺積電。三星不僅失去了高通剩余的4納米訂單,還將驍龍8Gen1Plus訂單轉移到臺積電。

眾所周知,如良率低的問題非常敏感,通常不會報道。然而,三星和臺積電似乎都承認芯片工藝制造中存在隨機缺陷,這意味著可以解決的方案也非常有限。它反映了從另一方面縮小尺寸可能接近終點。

事實上,近期半導體行業除了傾注尺寸縮小投資外,還根據物聯網等市場要求,HPC,存儲計算、人工智能等需要降低功耗,這也是首要任務。

半導體產業可持續100年

Finfet胡正明教授等發明家認為,半導體行業前景光明,可以持續數百年。它已接近尺寸縮小的摩爾定律的終點。如何解釋兩者。

事實上,它們都是正確的。從半導體產業發展的角度來看,僅從尺寸縮小的觀察可能已經接近終點。雖然業界認為從技術角度來看可能有可能,但從成本和經濟角度來看可能很難持續,現在有很多方法可以改進芯片功能,并且使用得很好,如異質集成和先進的包裝2.5D,3D及Chiplet等等,所以沒必要堅持縮小尺寸的道路。

半導體產業未來發展前景確實光明,近期許多市場分析公司認為,2030年產業可達萬億美元。

此外,從半導體產業的發展來看,行業早已做好了準備,認為除了縮小尺寸外,還有另外兩條路要走,即More than Moore,如利用TSV及2.5D,3D封裝的異質IC集成。以及Beyond Moore,探索新原理、新材料、設備和電路的新結構。

半導體產業發展中的一些標準發生了變化

經過50年的發展,半導體產業的基礎理論幾乎沒有改變,它已經成為一個成熟的產業

半導體產業的周期性發展發生了變化,或其驅動力發生了變化。全球半導體產業以前由供需關系推動市場增長,現階段已轉變為結構性增長

芯片制造業集中,由于地緣政治因素,現已轉變為全球布局;臺積電是典型的

半導體行業的未來CAGR從5%增長到8-10%

產能擴張從謹慎到自由,進入產能為王的大投資時代

但未來仍有以下四個方面限制產業增長:包括人才和供應鏈的韌性ESG及創新

人才:短缺是客觀存在的,需要從企業層面吸引人才,用好人才,培養人才。

供應鏈韌性:產業鏈必須起伏,企業自始至終都要有危機感

ESG(企業社會責任):要實現碳中和和碳達峰的目標,要注意人、水電消耗和污染排放

更多創新:只有不斷創新,競爭才能贏得市場經濟中的生存要素;全球協調,增加附加值

結語

摩爾定律實際上只是一只是一種猜測,但后來半導體行業的實踐用數據證實了它的存在和價值。現在,從尺寸縮小的角度來看,它可能接近終點線。然而,由于行業具有較強的自我調節能力和許多新的市場驅動力,它將促進全球半導體行業的持續進步和增長。

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