『万众一芯』摩尔定律未来何往？卢超群提出异质整合技术奥妙，“Silicon 4.0”时代来临



前全球半导体联盟（GSA）全球主席，也是前世界半导体理事高峰会（WSC）全球主席的钰创董事长卢超群贡献于全球IC设计及半导体产业超过30年，着墨于技术创新、学术研究和企业管理。1991年，他获选为国际电机电子学会荣誉会员（IEEE Fellow），1998年凭借在高速动态记忆体设计的领先贡献获颁IEEE固态电路奖（IEEE Solid-State Circuits Award)，后于1999年当选美国国家工程学院院士。

卢超群创立了利基型存储芯片公司钰创科技，开创了优良晶粒（Known Good Die）技术发展的先河，致力于推动堆叠整合芯片的发展，并率先提出了异质整合系统IC技术即将来临的论断。他提出“类摩尔定律” （Virtual Moore’s Law）的异质整合设计系统架构（HIDAS, Heterogeneous Integration Design Architecture System）理念，主张再为全球半导体产业续命30年。我们可以通过苹果手机和台积电成功的InFO封装技术来理解异质整合技术的奥妙：通过半导体知识与系统应用端设计的紧密配合，可将全球半导体产业的产值推升至1万亿美元，从而揭开Silicon 4.0时代序幕。

 

卢超群以精准的观察剖析半导体产业技术发展历程，将其分为Silicon 1.0至4.0四个世代。

“Silicon Age 1.0”：摩尔定律奠基半导体产业架构

 

众人耳熟能详的摩尔定律由英特尔共同创办人Gordon Earle Moore在1965年提出，该理论认为每两年晶圆上的电晶体数量就会增加一倍。如今，摩尔定律更像是一个经济定律。1974年DRAM发明人BobDennard又进一步解释摩尔定律，即Dennard Scaling定律。如果说摩尔定律是点出半导体技术和经济效应的指标，那么Dennard Scaling定律就是清楚点出实现摩尔定律的途径。如今的半导体产业架构基础就是由这两个理论形成。

 

当今的半导体业界最常探讨的议题是，摩尔定律何时终结？有人提出在 2025 年，然如今的全球半导体产业都是在围绕摩尔定律前行，2017 年全球半导体产业产值高达4,000亿美元，2019 年挑战 5,000 亿美元，摩尔定律左右“硅”产业前途，如果摩尔定律的终结近在眼前，不免让行业人士忧心。

 

卢超群分析，根据Dennard Scaling定律，“0.7”是个魔幻数字，其象征电晶体在水平摆放下，若上下线宽各缩小0.7个面积单位，可在一个晶圆中缩小0.5个面积单位，相当于在同一单位中可放进2颗电晶体，代表面积增加1倍，现在的半导体制程已经从300微米进展到28纳米、14纳米、10纳米、7纳米，然而大家好奇的是，为什么0.7x线宽微缩的铁律发展到28纳米世代却告终了？

 

“Silicon Age 2.0”：面积微缩带来的有效摩尔定律时代

 

“Silicon Age 1.0”时代终止于28纳米节点，然而从28纳米节点以下，到今日半导体技术走到10纳米世代，这段时间被称为”Silicon Age 2.0“世代。在这个过程中，摩尔定律是如何传承并延续的？

 

卢超群进一步分析，进入Silicon Age 2.0世代，面积微缩（Area Scaling）取代了线宽微缩，进入“有效摩尔定律” （Effective Moore's Law）时代。英特尔率先在22纳米上，把电晶体的排列由平放变成鳍型排列，并把控制电晶体流量的栅栏变大，也就是鳍式场效电晶体（FinFET）或是三闸极（Tri-Gate）电晶体。

 

在FinFET工艺架构下，线宽微缩不用再做到0.7x，只要0.8x并达到面积缩小0.64即可达到同样效果；在0.64和0.5之间减少微缩的面积，因为电晶体竖起来后，可以得到更有效地利用，以及竖立式所产生的3度空间来弥补，这样的做法也可以让一个单元面积上容纳2个电晶体。

 

这也可以解释，半导体进入FinFET时代后，工艺技术所代表的数字意义和实质线宽的微缩已经脱勾，这就是为什么英特尔认为自家的10纳米技术，其实就等于台积电和三星的16/14纳米节点，且三星和台积电也不断推出各种“数字”的工艺技术来做技术营销，因为数字和实质线宽两者是脱钩的。

 

“Silicon Age 2.0”世代面积微缩取代了线宽微缩，让半导体数往28纳米以下推进，产业从而进入“Silicon Age 3.0”世代，就是进入体积微缩的时代。

 

“Silicon Age 3.0”：体积微缩续命摩尔定律

 

卢超群早在2004年就提出异质整合技术，将SoC、RF、DRAM、SRAM等不同技术的晶粒堆叠在一起，有别于“Silicon Age 2.0”提出的同质性晶粒整合的精神，又上升了一个层次。

 

“Silicon Age 3.0”提出的体积微缩，是利用底部的面积加上封装技术拉出一个3D空间，再回算成单位面积。通过这种做法，摩尔定律的精神再度被延续。

 

值得注意的是，这样的做法的可能性已经被苹果iPhone 7加上台积电的InFO封装技术印证，这当中也隐含着台积电独吃苹果处理器芯片的秘密。

 

过去提到异质性整合技术时，作法都是晶粒之间的堆叠，封装方式采用Flip Chip或是TSV技术，然当苹果iPhone 7推出并被拆解后，我们看到Silicon Age3.0世代的瓶颈已经被台积电突破了。



要解读台积电的InFO封装技术架构，我们可以先来理解3D堆叠技术。这就好比盖房子，一栋4层楼高的公寓，公寓中间的位置有个方形回廊，4边都有楼梯爬上爬下，回廊中心就是交换情报的地方。在这样的设计架构下，做了3D堆叠，只不过只有堆4层，晶粒的面积会大一点，但换来扁一点的体积，这就是台积电的InFO封装技术架构的奥妙。

 

为什么台积电的InFO设计，可以成功落实异质整合技术并延长摩尔定律的寿命？就像是在城区内有地铁网络将各个节点互相连结，而城乡间通过高速公路彼此沟通。这样，通过横纵两个维度的交通网络，城乡的沟通变得畅行无阻。苹果和台积电的完美表现，完成了”Silicon Age 3.0“的任务，同时也为我们正在经历的“Silicon4.0”时代暖场。

 

“Silicon Age 4.0”：异质整合内化供应链价值，摩尔定律不死

 

“Silicon Age 4.0”时代的特征是把不是半导体但是用硅制成的Nano System产品，借由技术把周边MEMS、镜头、感测器、生物感测器等都整合进来，不再用线性微缩去创造价值，而是让终端产品的价值放大，是一种“功能X价值的微缩”概念。

 

“Silicon 4.0”可以参考苹果的例子，苹果是一家系统公司，并非半导体公司，但苹果非常熟悉IC技术核心技术，具备自己设计处理器、指纹辨识芯片的能力，更传出苹果不断扩大其芯片设计的领域，会跨足到面板驱动芯片、电源管理芯片等。

 

苹果是一家具备异质整合设计能力的最佳代表通司，更借由由芯片设计的能力，强化自家产品差异化和竞争力，因为苹果善用了半导体知识，把整个半导体供应链的价值都内化为己所用，进而让终端应用价值放大了8到10倍，是当中奥妙所在。

 

“Silicon 4.0”世代就是要充分利用异质整合技术，结合半导体和应用系统终端技术，从而实现全球半导体产业的产值达到1万亿美元的目标——让摩尔定律不死，工艺技术走到1纳米的更高目标。

而卢超群博士即将于6月2日于北京举办的 DeepTech2018 半导体产业大势论坛中，发表主题演讲，就全球半导体技术和产业发展趋势发，与到场来宾交流分享他多年积累的洞见观察。

在此次峰会中，将从设备材料、开发设计、生产制造、乃至行业应用，探讨如何厚植深耕中国半导体芯片产业的核心实力；更将从全球视野、竞争消长、生态协同，剖析中国新一代科技产业将如何在世界竞争战场中取得具关键影响力的战略位置的布局策略。

此次DeepTech 深科技联合富士康科技集团、中科创星于 2018 年 6 月 2 日所举行“万众一芯，点石成晶”北京峰会，汇集数十位纵横全球科技产业的领袖精英级人物，将在当天丰富的全日议程中，为到场参会来宾深度剖析中国科技产业新一波大潮将至的机遇与方向。