台積電陳平：半導體未來必需的三大法寶｜半導體行業觀察

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「每一個時期的重大發明都會改變我們的生活，19世紀的鋼鐵，20世紀的汽車飛機等等，在推動發展力的同時也讓社會蓬勃發展。而著重要說的就是20世紀中期半導體晶體管的發明，這一項發明讓社會產生了巨大的變化。基於半導體建立的IT技術，讓世界變成一個「村」，人類從此進入互聯時代。」在2019海峽兩岸集成電路產業合作發展論壇上，台積電中國區業務發展副總經理陳平談到科技對社會的影響。

發展動力強勁的半導體產業

半導體的出現徹底改變了我們的生活，集成電路發展到現在不過60年，最早出現的時候，產品規模全球每年只有幾千到幾萬台；7、80年代開始，電子器件普及，產品規模一年達到數億台；而到了最近幾年，手機等消費電子開始流行，每年產品規模可以達到幾十億。人類的生活在不斷發生改變，越來越大的需求在不斷推動新技術的產生，移動終端、高速計算平台、IOT以及自動駕駛等等，帶來無數商機。

半導體產業的發展動力很強，原因無他，源於人類對美好生活的嚮往，陳平說道。在過去的十年里，智能機、互聯網的興起推動社會產生了巨大變革，因此社會對半導體技術的期待與日俱增。所謂「由儉入奢易，由奢入儉難」，人類已經沒有辦法去適應落後的設備，如今手機即將進入5G時代，AI也在悄悄改變人類的生活，所有這些最前沿高端的技術，最底層的機制都是晶元。

5G時代，每天都會產生大量的數據，為了處理這些爆炸式增長的數據，晶元需要擁有低功耗，低延時，高計算能力以及高帶寬等性能，因此能效比也成了如今製造晶元的關鍵指標。這些聽上去矛盾的性能要怎麼實現？

三大法寶應對龐大的半導體需求

陳平提出了這幾點思考：

1.如果想提升技術，必須延續摩爾定律的發展

陳平解釋道，所謂的摩爾定律就是當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，這其實是非常激進的理論，但從1987年的3μm，到如今已經開始量產的7nm，大家似乎都不約而同的選擇遵守並追趕摩爾定律。

晶體管微縮持續延伸

「就台積電來說，7nm量產已經超過一年，5nm已經進入初期量產階段，明年年底將實現量產， 3nm也已經在來的路上了，值得一說的是，我們的2nm的研發也已開始。我們在不斷追趕摩爾定律，它還在繼續前進，並沒有失效。」陳平說道。

而不斷改進縮小的工藝到底有什麼用？陳平給出了這樣一個例子。大家都知道華為目前大部分手機都採用自家晶元，華為mate20是其中比較火的一款手機。這款手機配備的就是華為麒麟980晶元。這款晶元集成了69億個晶體管，擁有非常強大的性能以及極低的功耗，而這一切都是在7nm的工藝上實現的。

工藝的微縮進展得益於全行業的不斷創新，摩爾定律走到盡頭的言論在1992年就已經有人提起，但這麼多年來卻一直在延續，唱衰還言之過早，陳平稱。

對於晶元製造來說，光刻機是非常重要的一部分。光刻機在發展193nm的時候停頓了很多年，最終靠浸潤式技術實現了突破。如今所用的7nm技術就是依靠193nm的光刻機去實現的。如今光刻設備公司有了重大突破，euv技術讓光刻不在成為微縮的瓶頸，同時新材料也有了突破，這正是陳平有自信說出摩爾定律不會終止的原因。

2.大量引進3D集成概念

雖然目前技術在不斷進步，但終端產品出現越來越多的要求，需要高速的邏輯晶元以及存儲器、射頻晶元等等，像以往在一個平面上攤大餅顯然就不合適了，這樣子意味著晶元高功耗以及大面積等，與所追求的目標完全是相反的。

因此，陳平提出，目前的方法是用半導體晶片板代替集成電路板，下面布線，把不同的晶元接在下方，如果把晶元平行放置，這種方法被稱之為2.5D系統，如果垂直放置，就被稱為3D系統。而台積電目前已量產2.5D系統，3D系統也正在開發，就這個方向來說，發展速度與摩爾定律是平行的。

3D集成工藝提升垂直連接密度

作為例子，陳平提到CoWoS這個技術，它是2.5D系統的代表。原先因為價格昂貴被多家棄用，而隨著製程推進到16納米FinFET，以及異質晶元整合趨勢成形，目前已有多家廠商訂購，2.5D系統可以提供高速計算，是目前比較通用的技術。

陳平還提到另一個趨勢-先進封裝技術，把不同工藝通過異構集成組合在一起，用完全不同的工藝製造出來的晶元集合在一起，不僅可以保存功能，還能儘可能縮小體積。

3.硬體與軟體的協同優化

對於產品的生產來說，硬體很重要，軟體也不能忽視。陳平說，在早先研發工藝的時候，採用的是機械方法，現在不一樣，你需要看最終的設計是否是最優化的方案。因此在工藝開發的時候需要與客戶緊密合作，而不能以指標作為最終目的。

軟硬體同步設計提升能效比

在系統層面上來說，以前的gpu，cpu等優點是比較通用，可編程。但缺點也很明顯，效率比較低，用硬體加速的話，功能都是特定的，靈活性不好。現在的設計將硬體加速器變成高效速率器件，同時帶有可編程、可設計功能，這是在系統層面的大方向。

就陳平來看，未來soc的結構基本都會硬軟體相互配合優化。而台積電也將對系統段的優化非常關注。

最終，陳平總結道，半導體產業的需求很高，現在要求已經從單一型變成綜合的能效型，為了把整個系統做好，這三大法寶是必不可少的。

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