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芯片技术实力“天团”
  新华网 ( 2019-07-02 07:19:51 ) 来源: 《环球》杂志
 

  芯片技术和芯片产业发展水平关系到国家的竞争力和信息安全。目前,美国占据芯片产业市场份额全球第一的宝座,掌握着其中大部分的核心技术。

文/殷华湘 侯朝昭

  半导体芯片是信息化时代的基石,也是当今精微加工制造业的制高点。小到我们日常用的电脑、手机,大到火箭、飞船等高科技产品,都离不开半导体芯片。全球半导体芯片已经进入10纳米至7纳米技术节点的时代。

  芯片技术和芯片产业发展水平关系到国家的竞争力和信息安全。目前,美国占据芯片产业市场份额全球第一的宝座,掌握着其中大部分的核心技术。

  芯片产业主要涉及指令系统架构、设计软件、芯片设计、制造设备、晶圆代工、封装测试等六个核心环节。

  在指令系统架构方面,目前全球主要有X86、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC、RISC-V等,它们或属于美国的公司、研究机构,或由其主导。

  在芯片设计环节,全球芯片设计巨头包括英特尔(Intel)、三星电子、高通、博通、德州仪器、联发科、华为海思、海力士等。总部位于美国的设计公司营收占芯片设计行业总营收的53%。

  在芯片设计软件EDA方面,美国的新思科技(Synopsys)、铿腾电子科技(Cadence)、明导(Mentor Graphics)(现被德国西门子公司收购)等三大公司几乎实现了芯片设计软件市场的垄断,占据了90%以上的市场。

  在芯片制造设备领域,美国的AMAT公司、Lam Research公司、KLA-Tencor公司、Teradyne公司,荷兰的ASML公司以及日本的东京电子、Dainippon Screen公司的销售额,几乎占全球市场的80%以上。尤其是核心的光刻机,包括EUV与浸润式DUV,主要掌握在荷兰的ASML公司手中。

  在硅半导体集成电路制作所使用的硅晶片,也就是晶圆的代工环节,全球代工企业主要有中国台湾地区的台积电和联华电子、美国的Global Foundries、韩国的三星电子以及中国内地的中芯国际等公司,它们的市场份额接近全球的90%。

  芯片产业链的最后一个环节是封测,全球规模较大的封测企业包括中国台湾地区的日月光集团、中国大陆的长电科技、美国的Amkor等公司。中国大陆的三家主要封测企业已进入世界前十,并且在扇出型封装技术方面处于领先地位。

  目前,全球在芯片技术和产业方面领先的九大代表团队是:

1.IMEC

  作为专注于纳米科技的研究中心,欧洲的IMEC一直不断研发实现集成电路创新突破的各类关键技术,从逻辑器件、存储技术的摩尔微缩极致发展,到各类光电、生物、感知等功能集成的摩尔定律超越,IMEC常常走到世界最前沿。

  在新型存储器领域,IMEC致力于嵌入式片上高速缓存,如SRAM和STT-MRAM的研究;在三维NAND闪存领域,IMEC也致力于新型器件研发,实现了基于高迁移率沟道材料和基于铁电HfO2的新型3D NAND存储器。

  在光电领域,IMEC开展了先进光学I/O互连项目,使用与CMOS工艺完全兼容的硅基光链路,探索未来的系统级性能的扩展,应用在数据通信网络以及芯片级互连方面。

  最近,IMEC提出了系统技术协同优化(STCO)概念,使用了半导体混合集成技术,超越了今天的传统晶体管微缩发展路径,实现了集成电路在三维方向的堆叠发展,提出了3D-SOC和3D-IC的发展新方向。

2.加州大学伯克利分校

  美国加州大学伯克利分校长期是集成电路核心器件的创新研发机构之一。该校以胡正明教授和萨耶夫-萨拉赫丁教授为首的研究团队为解决CMOS集成电路的功耗的挑战,在低功耗晶体管方面的研究已经持续了十个年头。胡正明教授的团队是FinFET技术的最初发明人,对现在的集成电路主流工艺的持续微缩和低功耗手机芯片的广泛应用起了重要作用。

  萨耶夫-萨拉赫丁教授提出了一种基于栅极铁电材料的负电容晶体管,通过特殊的工作机制,可以突破晶体管亚阈值电流开关区域中60mV/dec的热力学限制,目前已经发展成为了国际新型晶体管技术的研究热点。

  该团队研发的新型负电容晶体管栅长为30纳米,栅氧化层为1.8纳米厚的HfZrO,采用FDSOI的集成技术,实现了20mV/decade的超陡亚阈值摆幅(SS),相比于采用相同厚度的HfO2栅介质的对照器件,关断电流降低至1/10以下,开态电流也有所增加。

3.英特尔

  美国英特尔是一家具有高端芯片设计和制造能力的半导体公司。目前,该公司已正式量产了其10纳米节点的制造工艺,发布了融合10纳米制造工艺和先进三维封装及电路设计技术的最新一代酷睿处理器。

  纳米节点用以形容在生产处理器过程中集成电路的精细度,数值越小,精度越高,生产工艺越先进,同样的体积下就可以塞进更多电子元件,处理器的性能会更强,功耗更低。

  英特尔的10纳米CPU制造工艺采用了第三代FinFET、超级微缩和钴局部互连等创新技术,实现了超过1亿个晶体管每平方毫米的集成。该节点下的晶体管采用了7纳米宽和46纳米高的Fin以及第5代高k金属栅极和第7代应变硅技术。

4.新思科技

  新思科技是为全球集成电路设计提供电子设计自动化(EDA)软件工具的主导企业。其为全球电子市场提供技术先进的IC设计与验证平台,致力于复杂的芯片上系统(SoC)的开发。同时,新思科技还提供知识产权和设计服务,为客户简化设计过程,提高产品上市速度。

5.高通

  高通在2007年一季度首次成为全球最大的无线通信半导体供应商,并在此后继续保持这一领导地位,其骁龙移动智能处理器是业界领先的全合一、全系列移动处理器,具有高性能、低功耗、逼真的多媒体和全面的连接性等特点。目前该公司的产品和业务正在变革医疗、汽车、物联网、智能家居、智慧城市等多个领域。

6.IBM

  IBM虽然已经出售了其集成电路制造部分,其研究部门一直还在不断做出领先世界的研究工作。IBM Research提出了一种新型纳米片环栅晶体管(Nanosheet GAA FET),作为FinFET器件的一种后继技术。硅纳米层(Nanosheet)克服了传统FinFET在持续微缩过程中若干关键挑战,有望延续集成电路制造工艺延伸到3纳米节点以下,将有可能引爆未来芯片性能的进一步高速发展。

7.三星电子

  三星电子是世界最大的集成电路存储器的制造和研发企业。其DRAM、三维闪存占据了全球市场的约三分之一,不断在推进高速DRAM和更高容量的3D NAND闪存技术的持续发展,DRAM制造技术已经发展到1Y纳米阶段、3D NAND闪存达到了96层堆叠。同时,三星电子在逻辑代工制造工艺上拥有很强实力,拥有全球首条7纳米EUV量产线,具有高性能、低功耗的优点,其5纳米工艺将于2019年下半年完成研发,并将在2021年开始投产3纳米节点工艺,首次引入创新的纳米环栅技术——多桥沟道FET(MBCFET)。

8.台积电

  台积电作为全球最大的晶圆代工厂,已在2018年实现了7纳米技术节点的代工制造量产,在2019年进化到7纳米Plus工艺,并将在2020年推进到5纳米工艺,同时宣布将在2024年开始2纳米的投产。其先进的5纳米工艺仍将基于FinFET工艺,并针对移动和高性能计算应用进行了优化,引入更多的EUV光刻工艺。

9.ASML

  当前光刻机的核心技术掌握在荷兰的ASML公司。该公司是全球唯一的高端光刻机生产商,已经占据了高达80%的市场份额,垄断了高端光刻机市场。ASML的EUV NXE 3400B单价超过1.5亿美元,ArF浸润式DUV光刻机售价在7000万美元左右。日本尼康在高端光刻机上已经完全处于被动地位。国际集成电路主要制造公司量产和研发最新制造工艺的光刻机基本全部来自ASML。

  EUV是半导体行业的关键性战略武器。波长仅有13纳米的EUV光线的能量、破坏性极高,制造过程中的所有零件、材料和工艺,样样挑战人类技术的极限。最关键零件之一、由德国蔡司公司生产的反射镜可做到史无前例的“完美无瑕”,瑕疵大小仅能以皮米(纳米的千分之一)计。

  (殷华湘系中科院微电子研究所先导中心和院重点实验室研究员、副主任;侯朝昭系中科院微电子研究所博士生)

来源:2019年6月26日出版的《环球》杂志 第13期

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