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摩爾定律在自1965年發明以來的45年中，一直引領著世界半導體產業向實現更低的成本、更大的市場、更高的經濟效益前進。然而，隨著半導體技術逐漸逼近硅工藝尺寸極限，摩爾定律原導出的“IC的集成度約每隔18個月翻一倍，而性能也將提升一倍”的規律將不再適用。為此，國際半導體技術路線圖組織 (ITRS)在2005年的技術路線圖中，即提出了“后摩爾定律”的概念。近年的技術路線圖更清晰地展現了這種摩爾定律與“后摩爾定律”相結合的發展趨勢，并認為“后摩爾定律”在應用中的比重會越來越大。 后摩爾定律是摩爾定律的生命延續 ITRS組織針對半導體產業近期 (2007～2015年)和遠期(2016～2022年)的挑戰，在技術路線制定上，提出選擇兩種發展方式：一是，繼續沿著摩爾定律按比例縮小的方向前進，專注于硅基CMOS技術；二是，按“后摩爾定律”的多重技術創新應用向前發展，即在產品多功能化(功耗、帶寬等)需求下，將硅基CMOS和非硅基等技術相結合，以提供完整的解決方案來應對和滿足層出不窮的新市場發展。其中，“后摩爾定律”技術被業界認為，其在IC產品創新開發中的比重將越來越凸顯(如圖1所示)。“后摩爾定律”的實質是，它除了會延續摩爾定律對集成度、性能的追求外，還會利用更多的技術，例如模擬/射頻、高壓功率電源、MEMS傳感器、生物芯片技術及系統級封裝(SiP)等三維(3D)集成技術，以提供具有更高附加價值的系統。“后摩爾定律”對半導體技術產業化發展具有強大的推動力。它一方面使半導體技術從過去投入巨額資金追隨工藝節點的推進，轉到投資市場應用及其解決方案上來；同時，從過去看重系統中的微處理器和存儲器技術的發展趨勢，轉向封裝技術、混合信號技術等綜合技術創新；從過去的半導體公司與客戶、供應商之間的一般買賣關系，轉向建立緊密的戰略聯盟，形成大生態系統的關系；尤其是，3D集成技術中的硅直通孔(Through-Silicon Via，TSV)封裝技術，有可能引發世界半導體技術發展方式的根本性改變。 “后摩爾定律”對全球IC創新應用具有重要作用。今天，人們需要高速度、高性能和大容量，還需要節能、環保、舒適以及安全性和低成本。這些新變化、新需求在很大程度上將依賴于后摩爾定律相關技術的作用。因為它們涉及的系統集成產品，將出現許多異構和異質器件的多重技術結合；單純以SoC方式或難以實現，或成本效益不足；而“后摩爾定律”揭示的采用如SiP等3D技術、混合信號半導體技術、MEMS技術和生物技術與CMOS邏輯技術相融合，不僅提供一個完整的低成本微系統，而且將為全球半導體產業指明一條繼續前進的光明大道。 “后摩爾定律”與摩爾定律結合 推動產業可持續發展 應該看到，在當今摩爾定律的演進中，基于摩爾定律與“后摩爾定律”的結合，它們的創新將使世界半導體技術及其應用日益呈現出多元化和綜合化，將極大地推動著世界半導體產業的可持續發展。 在半導體技術發展方面。如圖2所示，在一個高度集成的智能化微系統中，處理器、存儲器和邏輯電路是屬摩爾定律的范疇，而集成的無線電、電源管理、傳感器等模塊是屬“后摩爾定律”的范疇。 其中，在摩爾定律的范疇，ITRS指出，2010年的技術節點是45納米，2013年為32納米，到2015年將進一步縮小為25納米，2016年為 22納米；估計到 2018年將會接近硅CMOS技術的極限。其內容包括設計方法、系統級設計、邏輯電路和物理設計、設計驗證、可測試設計、可制造設計等6個領域。另外，在新的工藝和新材料方面將來也會取得突破性進展，如溝道替換、絕緣體上硅等新技術，包括除高K金屬柵材料外的其他新材料等。至于未來元器件類型的新結構，ITRS雖增加了新型元器件的章節，但僅停留在探索層面上，還沒有制定路線圖。 在“后摩爾定律”范疇，ITRS指出，在當今的智能化微系統芯片開發中，尤其是，無線電領域新興應用不斷出現，有越來越多采用包括非CMOS的新器件集成的多重技術將會進入3D集成時代。 3D集成實際上是一種系統級集成結構，其中的TSV技術，是芯片制造與封裝技術相融合的集成技術。據市場研究機構 Yole Developpement統計，到2013年，59%的3D系統級集成結構，將采用多層平面器件的堆疊形式，并經由穿透硅通孔(TSV)的半導體工藝連接起來；到2015年，3D-TSV晶圓的出貨量將達數百萬片，并可能對25%的存儲器業務產生影響。2015年，除了存儲器，3D-TSV晶圓在整個半導體產業的份額也將超過6%。同時，還將促進相關設備和材料的推陳出新，它們的市場規模也將分別在2013年和2015年達到10億美元。 圖 3顯示了3D集成技術滿足多種需求應用的發展趨勢。從中看出，3D集成技術首先將在圖像傳感器、MEMS器件、生物醫學器件及其與邏輯(ASIC)包括 3D-SoC/SiP的整合等應用突破，然后將進入諸如信息家電、便攜式手持設備、無線移動終端、汽車、醫療、工業自動化、環保和安防系統等半導體各個領域，并不斷增長而得到越來越廣泛的應用。 在技術的創新應用方面。ITRS認為，半導體集成電路市場的發展在很大程度上是個人計算機、數字電視和手機受終端及系統應用驅動。目前，在全球“新能源”和“物聯網”的興起及其發展的大趨勢下，世界半導體市場呈現著三大發展趨勢：一是綠色化，二是無線網絡化，三是健康安全化。這更為世界IC產品帶來了層出不窮的創新空間，如以云計算為標志的高性能的安全計算機和服務器領域，以3G及今后的4G無線寬帶網絡通信基礎設施及相應終端為代表的新一代無線通信領域，以風能、核能和太陽能為標志的新能源領域，以信息傳感和控制設備為標志的工業化與信息化融合領域，以電力電子為代表的智能電網及其控制領域，還包括以新能源汽車和醫療電子為代表的領域等。 這種越來越多終端及系統領域的“應用”驅動趨勢，大大促使了摩爾定律與“后摩爾定律”的結合，其中“后摩爾定律”將起著不可替代的作用。應該看到，上述領域，離不開無線電的模擬/射頻技術、混合信號半導體技術、高壓功率電源技術，以及MEMS傳感器、生物芯片技術和3D集成技術；當然也離不開它們與CMOS邏輯技術相融合的發展。 “后摩爾定律”提出和實施是ITRS對技術進步的貢獻 ITRS對全球集成電路產業發展的預測作用，是被業界廣泛認同的。其提出的“后摩爾定律”的宗旨，是致力于找到產業持續發展所面臨的瓶頸，找到解決方法。其本質是持續創新與不斷變革。其主要貢獻： 一是，它不僅營造了全球半導體產業新的增長點，而且在信息技術與通信技術相融合的領域，具有培育起新興戰略產業的巨大現實和潛在驅動力。 二是，它為如中國為代表的發展中國家，在新興市場中應對挑戰、持續推進本國半導體產業、建立自主可控的創新體系指明了一條產品多功能化、以成本為推動力的高效路徑。總之，“后摩爾定律”告知世界，全球半導體行業是一個充滿了活力和創造力的行業，摩爾定律揭示的創新精神，將不斷地推動行業持續創新。 |
