晶圓代工大廠臺(tái)積電（TSMC）董事長(zhǎng)劉德音在以虛擬（在線）模式舉行的2021年度國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）開(kāi)場(chǎng)專題演說(shuō)中表示，半導(dǎo)體整合每踏出成功的一步，背后都需要付出越來(lái)越多的努力，而最新一代的3納米工藝節(jié)點(diǎn)將會(huì)如期實(shí)現(xiàn)。

　　因?yàn)樾鹿诓《痉窝滓咔橛绊懀衲甑腎SSCC （EETT編按：美國(guó)時(shí)間2月13日至22日）改以全在線方式舉行，而且也沒(méi)有因此改變將各場(chǎng)輔導(dǎo)課程與短會(huì)議安排在周末舉行的慣例。而筆者在會(huì)議第一天就從加拿大的渥太華（Ottawa）準(zhǔn)時(shí)上線，這是我第一次穿著家居服參加全體大會(huì)，也是我第一次在聽(tīng)演講的時(shí)候還在一邊敲鍵盤(pán)（我不知道這是我自己覺(jué)得打字聲音太難聽(tīng)還是出于禮節(jié)，總之我從不曾在任何現(xiàn)場(chǎng)聽(tīng)演講或簡(jiǎn)報(bào)時(shí)同時(shí)使用我的筆記本電腦）。

　　劉德音在今年ISSCC的開(kāi)場(chǎng)演說(shuō)主題是“揭密創(chuàng)新未來(lái)”（Unleash the Future of Innovation），他談到了許多引領(lǐng)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展至今的創(chuàng)新，以及繼續(xù)向前邁進(jìn)的潛在途徑。在演說(shuō)中一個(gè)不時(shí)浮現(xiàn)的主題是“技術(shù)民主化”，也就是如他所言，盡管技術(shù)通常一開(kāi)始掌握在少數(shù)人的手中，但最后仍是由眾人所享受；臺(tái)積電將其超大型晶圓廠制造視為讓先進(jìn)技術(shù)能盡可能讓世界上多數(shù)人受益的關(guān)鍵。

　　超越摩爾定律

　　為了將先進(jìn)技術(shù)推廣到全世界，需要不斷找到方法來(lái)維持技術(shù)進(jìn)展；這是著名的摩爾定律（Moore's Law）原本承諾的前景──晶體管單位成本應(yīng)該要維持下降。而劉德音在演說(shuō)中也強(qiáng)調(diào)，半導(dǎo)體工藝微縮的腳步并未減緩，集成電路的功耗、性能與晶體管密度仍在持續(xù)進(jìn)步。劉德音表示，臺(tái)積電的3納米工藝按照計(jì)劃時(shí)程發(fā)展，甚至比預(yù)期進(jìn)度超前了一些；因此我們也有信心看到未來(lái)節(jié)點(diǎn)將會(huì)如期而至。

　　半導(dǎo)體新一代工藝節(jié)點(diǎn)的性能與上市時(shí)程如預(yù)期進(jìn)展。（數(shù)據(jù)源：ISSCC 2021）

　　傳統(tǒng)上，半導(dǎo)體工藝微縮仰賴微影技術(shù)；現(xiàn)在，藉由極紫外光微影（EUV）技術(shù)，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)打破前一代微影技術(shù)的尺寸限制，不過(guò)產(chǎn)量仍是一個(gè)問(wèn)題。評(píng)估EUV技術(shù)一個(gè)很重要的基準(zhǔn)是圖形化（patterning）的總成本，而因?yàn)楸绕鸩捎枚嘀貓D形化、多次曝光方式，EUV能使用較少層數(shù)的光罩，不難想象其成本可達(dá)到理想的水平。不過(guò)劉德音也表示，EUV功耗極大，為此臺(tái)積電已經(jīng)取得350W照明光源技術(shù)突破，可支持5納米量產(chǎn)甚至到1納米節(jié)點(diǎn)。

　　自從以硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)為核心的新式柵極堆棧材料在本世紀(jì)稍早問(wèn)世以來(lái)，材料創(chuàng)新的重要性變得日益顯著。臺(tái)積電在5納米節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入了一種高遷移率通道（high mobility channel，HMC）晶體管，是將鍺（germanium，Ge）整合到晶體管的鰭片（fin）中。而導(dǎo)線也利用鈷（cobalt）與釕（ruthenium）材料持續(xù)挑戰(zhàn)極限。

　　HMC是CMOS工藝延續(xù)許多代的主力──鰭式場(chǎng)效晶體管（FinFET）在鰭片區(qū)域的材料改變，但即使是FinFET也即將達(dá)到生命周期終點(diǎn)。臺(tái)積電將轉(zhuǎn)向具備環(huán)繞式柵極（gate all around，GAA）通道的納米薄片（nano-sheet），以提供比FinFET更多的靜電控制。

　　劉德音指出，新一代組件能實(shí)現(xiàn)更小的汲極引致能障下降（drain induced barrier lowering），以及更好的次閾值擺幅（sub-threshold swing）；這些特性實(shí)際上的優(yōu)勢(shì)何在？臺(tái)積電下一代平臺(tái)能為SRAM帶來(lái)更低的供電電壓，提供0.46V的可靠快取運(yùn)作，隨著芯片上快取的需求越來(lái)越高，能將耗電降低到0.5V以下，勢(shì)必能改善芯片的整體功耗。

　　臺(tái)積電技術(shù)藍(lán)圖中的FinFET接班技術(shù)是環(huán)繞式柵極納米薄片晶體管。

　?。〝?shù)據(jù)源：ISSCC 2021）

　　設(shè)計(jì)-技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（Design & Technology Co-Optimization，DTCO）的概念，將原本各自孤立的設(shè)計(jì)與制造思維轉(zhuǎn)為一種合作體制，如此一來(lái)，一旦刻印出的特征尺寸像是柵極間距（gate pitch）再也無(wú)法定義新技術(shù)節(jié)點(diǎn)，芯片密度仍有可能繼續(xù)增加。

　　DTCO能維持新節(jié)點(diǎn)1.8倍的邏輯柵密度提升，以及芯片尺寸35%~40%的微縮。這種跳脫框架的模式為系統(tǒng)單芯片（SoC）設(shè)計(jì)的重要領(lǐng)域帶來(lái)進(jìn)展，這通常無(wú)法因?yàn)楣に嚰夹g(shù)演進(jìn)而有所改善。DTCO不但能讓模擬與I/O區(qū)塊改善，還有數(shù)字電路區(qū)塊。

　　材料技術(shù)的革新

　　材料的創(chuàng)新將繼續(xù)推動(dòng)芯片技術(shù)向前邁進(jìn)，低維度材料包括六方氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）等2D材料，已經(jīng)接近實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。劉德音強(qiáng)調(diào)，臺(tái)積電已經(jīng)與臺(tái)灣學(xué)界團(tuán)隊(duì)合作成功以大面積晶圓尺寸生長(zhǎng)單晶氮化硼，其成果并獲刊于2020年3月的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Nature》。低溫工藝則將實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)的邏輯與內(nèi)存活性層（active layer）堆棧，打造真正的3D IC。

　　材料的創(chuàng)新延續(xù)了摩爾定律的生命；劉德音表示，少了創(chuàng)新材料，我們可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)AI加速器技術(shù)（這方面Xilinx首席執(zhí)行官Victor Peng在ISSCC的另一場(chǎng)演說(shuō)有更多著墨），芯片上快取（on-chip cache）恐怕不足以支持軟件應(yīng)用程序的持續(xù)演進(jìn)。

　　而若少了小芯片（Chiplet），半導(dǎo)體技術(shù)的未來(lái)也會(huì)不完整。劉德音在演說(shuō)中指出，在Chiplet變得“很酷”之前，就已經(jīng)有很多人投入相關(guān)研發(fā)；他強(qiáng)調(diào)3D系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是讓技術(shù)朝著正確方向發(fā)展的關(guān)鍵推手，并重申Chiplet在實(shí)現(xiàn)特定領(lǐng)域（domain specific）解決方案上的重要性。每個(gè)Chiplet都能在技術(shù)上進(jìn)行優(yōu)化，毋須顧慮一體化SoC固有的設(shè)計(jì)折衷。

　　工藝的進(jìn)一步微縮需要系統(tǒng)級(jí)的思考。（數(shù)據(jù)源：ISSCC 2021）

　　展望未來(lái)，3D芯片堆棧會(huì)是重點(diǎn)。透過(guò)臺(tái)積電的SoIC （system on IC）、低溫鍵合（bonding）工藝，能以垂直方式堆棧一打裸晶，高度僅600?m。劉德音在簡(jiǎn)報(bào)中展示了3D堆棧結(jié)構(gòu)的X光影像，并且評(píng)論“看看那完美的對(duì)齊…”誰(shuí)說(shuō)科技人不能成為最厲害的推銷員？

　　技術(shù)演進(jìn)腳步未歇

　　臺(tái)積電的專題演說(shuō)對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)未來(lái)發(fā)展提供了不錯(cuò)的綜覽，同時(shí)也對(duì)于期待和可能遭遇的障礙保持冷靜。劉德音在演說(shuō)中提到，帶寬不足的情況仍然存在，雖然數(shù)據(jù)處理量每?jī)赡陼?huì)提升1.8倍，但常態(tài)化的帶寬卻沒(méi)有跟上，每?jī)赡瓿砷L(zhǎng)的速度僅1.6倍；為此I/O數(shù)量需要增加以彌補(bǔ)差距。幸運(yùn)的是，還有很多進(jìn)步空間，芯片對(duì)芯片互連密度還能再成長(zhǎng)個(gè)幾倍。

　　劉德音對(duì)ISSCC的聽(tīng)眾們保證，新技術(shù)節(jié)點(diǎn)仍會(huì)持續(xù)以每?jī)赡赀M(jìn)步一個(gè)世代的節(jié)奏前進(jìn)；而材料、生產(chǎn)工具、芯片設(shè)計(jì)、專業(yè)封裝技術(shù)，以及來(lái)自其他領(lǐng)域的技術(shù)需要共同合作才能達(dá)成目標(biāo)。他在一張投影片中總結(jié)了讓摩爾定律或多或少維持活力的方法。

　　新材料與新思維讓摩爾定律維持活力。（數(shù)據(jù)源：ISSCC 2021）

　　21世紀(jì)初，應(yīng)變硅（strained silicon）與高介電（high-k）金屬柵極堆棧等技術(shù)的導(dǎo)入，讓半導(dǎo)體工藝微縮以同等速度進(jìn)展。接著FinFET結(jié)構(gòu)、EUV、HMC還有DTCO，將推動(dòng)產(chǎn)業(yè)在接下來(lái)的15年進(jìn)入以5納米為主流的世代；更多新穎的晶體管結(jié)構(gòu)還將讓我們繼續(xù)向前邁進(jìn)。

　　有鑒于目前產(chǎn)業(yè)界面臨芯片產(chǎn)能緊缺的情況，前面曾提到過(guò)的“技術(shù)通常一開(kāi)始掌握在少數(shù)人的手中，但最后仍是由眾人所享受”這句話，值得我們?cè)僖淮嗡伎?。我們真的能享受到大多?shù)的先進(jìn)技術(shù)嗎？想想Apple惡名昭彰地“霸占”臺(tái)積電每一個(gè)尖端工藝節(jié)點(diǎn)，我有點(diǎn)不太確定…就連Qualcomm、Intel也將之視為所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

　　對(duì)大型芯片業(yè)者來(lái)說(shuō)，在未來(lái)會(huì)讓他們最頭痛的問(wèn)題或許并不是尖端半導(dǎo)體工藝的產(chǎn)能供應(yīng)量，如同劉德音所言，一個(gè)半導(dǎo)體技術(shù)的復(fù)興時(shí)代將要來(lái)臨，有一天芯片設(shè)計(jì)會(huì)變得像是寫(xiě)軟件程序那么簡(jiǎn)單，到那時(shí)候，“技術(shù)民主化”將真正實(shí)現(xiàn)。