Markus Vomfelde? Director
半導(dǎo)體技術(shù)工藝節(jié)點(diǎn)是衡量芯片晶體管和其他組件尺寸的標(biāo)準(zhǔn)。這些年來(lái),節(jié)點(diǎn)的數(shù)量一直在穩(wěn)步增加,導(dǎo)致計(jì)算能力也相應(yīng)增加。一般來(lái)說(shuō),工藝節(jié)點(diǎn)越小,特征尺寸越小,晶體管越小,速度越快,越節(jié)能。
半導(dǎo)體行業(yè)正在經(jīng)歷數(shù)字、模擬、工具、制造技術(shù)和材料方面的巨大進(jìn)步。芯片開(kāi)發(fā)在從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的各個(gè)層面都需要高度精密和復(fù)雜的過(guò)程。推進(jìn)這一過(guò)程需要從建筑設(shè)計(jì)到可持續(xù)材料和端到端制造的重大變革,以滿足對(duì)半導(dǎo)體不斷增長(zhǎng)的需求。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),業(yè)界正在采用最新技術(shù)來(lái)提高高度先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的效率和產(chǎn)量。
半導(dǎo)體,物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的支柱
我們正在見(jiàn)證物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、智能設(shè)備和最近的5G領(lǐng)域的重大進(jìn)步。要了解這些創(chuàng)新將引領(lǐng)我們走向何方,以及我們應(yīng)該對(duì)它們有何期待,我們需要對(duì)使這一新的創(chuàng)新浪潮成為可能的基礎(chǔ)技術(shù)有一個(gè)基本的了解。隨著半導(dǎo)體技術(shù)驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和5G的發(fā)展,人工智能的演進(jìn)將比以往任何時(shí)候都更快。在過(guò)去的30年里,半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展一直是計(jì)算能力增長(zhǎng)的原動(dòng)力。據(jù)說(shuō)半導(dǎo)體約占計(jì)算硬件成本的 50%?;诎雽?dǎo)體技術(shù),人工智能計(jì)算設(shè)備與社會(huì)的融合將更加無(wú)縫和無(wú)孔不入。一個(gè)例子是自動(dòng)駕駛汽車(chē),它使用無(wú)處不在的移動(dòng)邊緣計(jì)算和復(fù)雜的算法來(lái)處理和分析駕駛數(shù)據(jù)?;?G通信基礎(chǔ)設(shè)施,人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)了解周?chē)鷪?chǎng)景,然后規(guī)劃和執(zhí)行安全駕駛操作。這使出行更安全、更智能、更高效。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備幾乎可以將任何產(chǎn)品變成智能設(shè)備,從供水系統(tǒng)到服裝。零售、醫(yī)療保健、生命科學(xué)、消費(fèi)品和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)都有很高的需求。
未來(lái)的創(chuàng)新還將使個(gè)性化芯片更容易獲得,并使芯片生產(chǎn)更有效,最重要的是,更具可持續(xù)性。隨著互聯(lián)設(shè)備越來(lái)越普遍,物聯(lián)網(wǎng)(IoT)對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)非常重要。隨著智能手機(jī)行業(yè)停滯不前,半導(dǎo)體行業(yè)必須尋找其他具有增長(zhǎng)潛力的途徑。盡管面臨挑戰(zhàn),物聯(lián)網(wǎng)仍然是該行業(yè)最合乎邏輯的選擇。沒(méi)有傳感器和集成電路,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用就無(wú)法運(yùn)行,因此所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都需要半導(dǎo)體。多年來(lái)推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)增長(zhǎng)的智能手機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始趨于平穩(wěn)。物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)可以為半導(dǎo)體制造商帶來(lái)新的收入,并在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)保持半導(dǎo)體行業(yè)以3%至4%復(fù)合年增長(zhǎng)率的增長(zhǎng)。
半導(dǎo)體的大趨勢(shì)和未來(lái)機(jī)遇
半導(dǎo)體技術(shù)工藝節(jié)點(diǎn)是衡量芯片晶體管和其他組件尺寸的指標(biāo)。這些年來(lái)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量一直在穩(wěn)步增加,導(dǎo)致計(jì)算能力相應(yīng)增加。節(jié)點(diǎn)通常意味著不同的電路世代和架構(gòu)。一般來(lái)說(shuō),更小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)意味著更小的特征尺寸,這會(huì)產(chǎn)生更小、更快、更節(jié)能的晶體管。這種趨勢(shì)使我們能夠開(kāi)發(fā)更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和更小尺寸的設(shè)備。工藝節(jié)點(diǎn)和CMOS晶體管性能之間存在關(guān)系。頻率、功率和物理尺寸都受工藝節(jié)點(diǎn)選擇的影響。這就是了解半導(dǎo)體工藝如何隨時(shí)間演變的重要性的原因。半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)的歷史可以追溯到20世紀(jì)70年代,當(dāng)時(shí)英特爾發(fā)布了第一款微處理器4004。從那時(shí)起,由于半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)尺寸的進(jìn)步,我們看到計(jì)算能力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這使我們能夠創(chuàng)造出更小、功能更強(qiáng)大的設(shè)備,例如智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備。Apple A15 Bionic是當(dāng)今大多數(shù)Apple最新產(chǎn)品的核心,采用7納米節(jié)點(diǎn)技術(shù)的近40億個(gè)工作晶體管。
工藝節(jié)點(diǎn)在半導(dǎo)體技術(shù)中的作用
半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)是決定微控制器性能的關(guān)鍵因素。隨著技術(shù)的進(jìn)步,每個(gè)微控制器中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不斷增加。這一趨勢(shì)在過(guò)去幾年中已經(jīng)觀察到,預(yù)計(jì)今后將繼續(xù)下去。技術(shù)節(jié)點(diǎn)(也稱(chēng)為工藝節(jié)點(diǎn)、工藝技術(shù)或簡(jiǎn)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn))是指特定的半導(dǎo)體制造工藝及其設(shè)計(jì)規(guī)則。不同的節(jié)點(diǎn)通常意味著不同的電路世代和架構(gòu)。一般來(lái)說(shuō),工藝節(jié)點(diǎn)越小,特征尺寸越小,晶體管越小,速度越快,越節(jié)能。歷史上,工藝節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)指的是晶體管的許多不同特性,包括柵極長(zhǎng)度和M1半節(jié)距。最近,由于各種營(yíng)銷(xiāo)活動(dòng)和代工廠之間的分歧,這個(gè)數(shù)字本身已經(jīng)失去了它曾經(jīng)擁有的確切含義。較新的技術(shù)節(jié)點(diǎn),如22納米、16納米、14納米和10納米,僅指采用特定技術(shù)制造的特定世代芯片。它不對(duì)應(yīng)于柵極長(zhǎng)度或半間距。盡管如此,命名約定還是得到了尊重,這就是主要代工廠對(duì)節(jié)點(diǎn)的稱(chēng)呼。
早期的半導(dǎo)體工藝有任意的名稱(chēng),例如,HMOS III,CHMOS V。后來(lái),每個(gè)新一代工藝都被稱(chēng)為技術(shù)節(jié)點(diǎn)或工藝節(jié)點(diǎn),以工藝晶體管的納米(或歷史上的1微米)工藝的最小特征尺寸來(lái)表示柵極長(zhǎng)度,例如“90納米工藝”。然而,自1994年以來(lái),情況發(fā)生了變化,用于命名工藝節(jié)點(diǎn)的納米數(shù)已成為一個(gè)營(yíng)銷(xiāo)術(shù)語(yǔ),與實(shí)際特征尺寸或晶體管密度(每平方毫米的晶體管數(shù)量)無(wú)關(guān)。
技術(shù)節(jié)點(diǎn)流程的演變
本質(zhì)上,技術(shù)節(jié)點(diǎn)是對(duì)應(yīng)于晶體管的物理特征尺寸。最初,每個(gè)微控制器都是由晶體管組成的,晶體管基本上是控制電流流動(dòng)的開(kāi)關(guān),允許微控制器執(zhí)行其邏輯功能。諸如28納米或65納米的技術(shù)節(jié)點(diǎn)指的是可以繪制在布局上的最小數(shù)據(jù)圖形特征(半個(gè)間距或柵極長(zhǎng)度)。然而,技術(shù)節(jié)點(diǎn)的命名沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。諸如28 nm或65 nm之類(lèi)的節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)實(shí)際上來(lái)自傳統(tǒng)平面MOSFET配置中所示的晶體管的最小柵極長(zhǎng)度。一般來(lái)說(shuō),技術(shù)節(jié)點(diǎn)給出了晶體管在每平方毫米基板上的密集程度。從22納米技術(shù)開(kāi)始,該技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)向鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET),其中FinFET后面的架構(gòu)是三維配置,并且柵極長(zhǎng)度的術(shù)語(yǔ)不再適合描述工藝技術(shù)。如今,隨著技術(shù)從平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向FinFET或全柵極FET(GAA FET),10和5納米等技術(shù)節(jié)點(diǎn)不再對(duì)應(yīng)于任何柵極長(zhǎng)度或半間距距離。
瑞薩電子在開(kāi)發(fā)支持下一代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的新工藝技術(shù)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)變得越來(lái)越重要,設(shè)備設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在正在尋找使他們的設(shè)備更小、更快和更節(jié)能的方法。為了滿足這些需求,瑞薩開(kāi)發(fā)了一種新的工藝技術(shù),使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的體積比以前小得多,同時(shí)功耗更低。40納米工藝針對(duì)基于閃存的微控制器的最低功耗和最高性能進(jìn)行了優(yōu)化,而110納米工藝針對(duì)寬電壓范圍和最低功耗操作進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果是瑞薩電子的RL78、RA和RX微控制器比以往任何時(shí)候都執(zhí)行得更快,功耗比以往任何時(shí)候都低,同時(shí)仍保留其所有功能和特性
瑞薩一直是工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品半導(dǎo)體解決方案的領(lǐng)先提供商,并以其在開(kāi)發(fā)新技術(shù)以支持物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和最近的AIOT(人工物聯(lián)網(wǎng))方面的先進(jìn)工藝而聞名。這方面的一個(gè)例子是我們專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)110納米領(lǐng)域的內(nèi)部低功耗工藝技術(shù),即MF4。它允許瑞薩開(kāi)發(fā)適用于廣泛終端的超低功耗設(shè)備。隨著我們邁向一個(gè)從汽車(chē)到家電的一切都與互聯(lián)網(wǎng)相連的世界,對(duì)這種低功耗設(shè)備的需求變得越來(lái)越重要,而且隨著越來(lái)越多的設(shè)備聯(lián)網(wǎng),對(duì)能源消耗的需求也在增加。為了解決這一問(wèn)題,瑞薩開(kāi)發(fā)了一種新的電源管理系統(tǒng),可降低高達(dá)30%的能耗。這個(gè)新系統(tǒng)允許他們制造比以前更小的芯片,需要更少的能量。
瑞薩豐富的微控制器和SoC產(chǎn)品線提供廣泛的數(shù)字和模擬功能,包括各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的寬性能范圍和低功耗或能量收集能力。為了從頭到尾支持您的設(shè)計(jì),瑞薩還提供合作伙伴平臺(tái)、軟件和開(kāi)發(fā)工具。瑞薩電子的IC和模塊使您能夠精確地感知、理解和發(fā)送來(lái)自傳感器的智能數(shù)據(jù)到云端。我們誠(chéng)邀您利用我們先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù),滿足您的功耗、性能和安全要求,并幫助您在創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間內(nèi)提供下一代設(shè)計(jì)。