國產芯片巨頭兩大武器硬剛摩爾定律!如今面臨巨大挑戰!


國產芯片巨頭兩大武器硬剛摩爾定律!如今面臨巨大挑戰!

臺積電

1998年,臺積電創始人張忠謀跟英特爾前執行長貝瑞特(Barrett)被問及摩爾定律發展能有多久?當時貝瑞特回覆仍有15~20年的壽命,而張忠謀則直指20年、也就是至2018年。

但現在回頭來看,過去預測其實小看了摩爾定律對半導體的影響。至少在2018年,7奈米已經浮出檯面,且延續摩爾定律的EUV(極紫外光刻)技術也開始加入戰局,協助半導體產業繼續循著摩爾定律走。

到了2019年11月的臺積電運動會,當張忠謀再度被問及摩爾定律何時終結,他以一句:「柳暗花明又一村」,來形容這個他曾經預測錯誤的定律。


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臺積電創始人張忠謀


這對臺積電來說有什麼意義?除了顯示臺積電在半導體制程上擁有一定能量能持續往前推進外,也代表市場應用面夠廣,值得投入發展。

他表示,半導體制程還有5納米、3納米、2納米突破在等著,所以何時會終結,現在也沒有答案。但他也指出,5G、AI還有物聯網等趨勢,有足夠能量讓摩爾定律繼續發展,這也是為什麼現在的他不會像過去一樣,給出明確的摩爾定律結束時間──因為半導體的發展還有很多可能。

資本支出創新高,8成投入先進製程佈局

臺積電為全球最大晶圓代工廠,可以專心研發技術,協助客戶提升品效能表現,同時因為專注代工事業,不涉及其他如IC設計等業務,客戶也更能安心將產品委由臺積電製作。

2020年臺積電第四季法說公佈了對資本支出的規畫,可一窺半導體代工龍頭對先進製程的看法。

2020年,臺積電預計投入150~160億美元(約4,500~4,800億新臺幣)資本支出,高出外資法人預期,其中8成會用於先進製程佈局,包括7、5、3納米制程,顯示臺積電依舊有信心可以靠技術來延續摩爾定律的壽命。


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武器一:成功導入EUV,搶下半導體界先機

從先進製程來看,臺積電在2018年以基於FinFET(鰭式場效應晶體管)的技術正式步入7納米制程,並在一年後成功將7納米導入EUV(極紫外光刻),成為全球第一個成功導入EUV並量產的半導體公司。

根據臺積電說法,由於在7納米發展過程中成功掌握了EUV技術應用,因此未來的先進製程規劃,包括5納米、6納米等都會導入EUV。

目前,臺積電7納米家族的營收佔比,在2019年來到27%,預計2020年將增長30%以上;而5納米雖然是在下半年才會加入量產,但臺積電預計產能拉昇會相當快,有機會衝上10%的營收佔比。

武器二:推出芯片組產品,解決晶片愈來愈小挑戰

除了靠發展先進製程發展來延續摩爾定律,臺積電也在去年端出了芯片組(Chiplet)產品,透過建構系統,而非傳統單個芯片的方式,來解決芯片愈來愈小的挑戰。

根據臺積電說法,要讓芯片組的效能達到與系統單芯片相當的程度,芯片組必須透過密集、高速還有高頻寬的連接進行內部溝通,而這也是芯片組異質整合中較為困難的部分。

臺積電以自家的先進封裝技術「LIPINCONTM」(Low-voltage-In-Package-INterCONnect)來克服這樣的問題,讓芯片組的資料傳輸速率可以達到8Gb/s/pin,這比其他解決方法的資料傳輸速率2 Gb/s/pin至5.3Gb/s/pin要來得快上許多。


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此外,臺積電去年宣佈將於2021年量產首顆3D IC封裝芯片,外界認為將用於5納米以下的先進製程,也是替客製化芯片鋪路。

隨著5G、AI應用的普及,HPC(高效能運算)芯片的需求逐漸加劇,因此3D先進封裝可以滿足體積更小、功能更復雜的需求,目前業界認為3D封裝將會整合最先進的處理器、數據芯片、CMOS影像傳感器等。

不只是硅!善用材料,讓製程能更符合市場需求

有鑑於先進製程發展會面臨摩爾定律的挑戰,臺積電目前著手於先進材料、二維通道材料研究,目的是希望讓電晶體電子流通的通道短、薄,並有良好的開關行為。

目前,臺積電發現,有一種極具潛力的二維材料-二硫化鎢 十分符合此一需求。

另外,臺積電也宣佈與意法半導體合作、加速市場採用氮化鎵的產品。

比起過往採用硅為主的半導體,氮化鎵能在更高功率上獲取更大的節能效益,同時也容許更多精簡的元件設計來支持更小的尺寸外觀。

這樣的合作未來將會以汽車、工業、電信以及特定消費性電子應用產品為主,臺積電最快將於今年稍晚提供首批氮化鎵的樣品給客戶。

臺積電最大敵人是自己

臺積電目前的發展看來都相當順利,第四季法說會上也透露3納米的進度將於今年稍晚的北美技術論壇上,揭露更多細節。

然而《一本書看懂芯片產業》的作者點出,臺積電現在最大的敵人就是他自己,因為臺積電正走在一條沒有走過的路,所有先進製程的開發他已經走在最前面了,因此更不容許失敗,擔心有任何一點閃失可能就被追兵三星、英特爾給趕過去,

比起其他競爭對手,在技術上還有許多需要克服的地方,臺積電在這場摩爾定律的賽跑中,可能更要專注在自己技術的研發跟每個步驟的準確度,才能持續維持領先的地位。


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