半导体未来的竞争高地！-先进光半导体

    晶圆制造投入大、门槛高，这种能力越来越稀缺，且越来越成为价值高地，对半导体产业新技术、新产品的演进方向产生深远影响。

    在全球缺芯、叩问产能的形势下，在摩尔定律放缓的情况下，“制造”不仅是关键所在，更是命门——大量的市场需求、屈指可数的供应商、高筑的进入门槛、巨大的竞争壁垒，以及摩尔定律红利工艺节点所剩无多的情况下，制造越来越成为产业发展的关键。

    晶圆制造水涨船高

    ICInsights今年9月发布的报告显示，预计2021年晶圆代工市场总销售额将首次突破1000亿美元大关，达到1072亿美元，增长23%。

    晶圆制造繁荣的表象下，是财力和实力的竞逐。

    晶圆工厂的建设周期非常长，从宣布建厂到投入量产至少需要两年。通常晶圆厂每层面积可达3-4万平米甚至更多，相当于比6个橄榄球球场的面积还要大。而根据工厂的规模估算，每个工厂投入的金额至少是100-150亿美元。并且，投资100-150亿美元仅是起始投资，运营成本每年约为10-30亿美元。而在摩尔定律指挥棒下，一个工厂每年还要进行固定资产投入，约为30-50亿美元。

    晶圆制造繁荣的背后，还有芯片日益凸显的支柱地位。

    今年很多从业人员都感同身受，由于疫情、电子化加剧等因素带来的影响，特别是在汽车领域，芯片短缺现象非常明显，汽车产量下降，行业由此营收减少2000多亿美元，直观反映了芯片这一支柱产业对行业经济的重大影响。

    再从芯片本身的生产流程来看，制造的价值在逐渐抬升。一块芯片的诞生之旅始于研究，来自企业和学术界工程师、科学家开发了革命性的制程和封装技术，经历电路设计、物理设计，转换成光罩模板，再到制造、晶片分拣、封装测试、成品出货，共需要六个步骤。

    而第三步“制造”环节耗时最长，新一代制程技术的研发至少需要4-6年，且要达到大规模量产，良率90%以上。并且现在大规模制造所需要的最先进的逻辑电路制造技术，可能要在工厂经历5个多月，2000多道工序，制造变得越来越复杂。

    晶圆制程和先进封装——界限日渐模糊

    在日前的2021IEEE国际电子器件会议（IEDM）上，英特尔发布了多篇论文，这样的发文数量在往年并不多见。几篇论文主要聚焦于在封装、晶体管和量子物理学方面的关键技术突破，这些突破也表明了英特尔为继续推动摩尔定律演进，正在开足马力对前沿领域进行探索。

    首先，一个重要的研究方向就是核心的微缩技术。英特尔的研究人员概述了混合键合互连中的设计、制程工艺和组装难题的解决方案，期望能在封装中将互连密度提升10倍以上。今年7月，英特尔宣布计划推出FoverosDirect，以实现10微米以下的凸点间距，使3D堆叠的互连密度提高一个数量级。为了使生态系统能从先进封装中获益，英特尔还呼吁建立新的行业标准和测试程序，让混合键合芯粒（hybridbondingchiplet）生态系统成为可能。

    英特尔制造、供应链和营运集团副总裁、战略规划部联席总经理卢东晖博士对表示，制程节点之所以重要，其实还是摩尔定律的魅力。更高的组件密度，能带来更小的IP占用面积，让芯片功能更好、能耗更低、功效更高，从而实现更快速的运算，更高的动态范围，提高空闲时的能效，提高满负荷的最大速度。

    那么，为什么要在互联密度上孜孜以求？

    从技术层面来看，标准封装到嵌入式多管芯互联桥接或EMIB，封装中将包含更多模块或晶片，凸点间距会越来越小，从100微米凸点间距变为55微米甚至36微米。英特尔的Foveros开始将芯片堆叠在一起，研究横向和纵向之间的互连，其凸点间距是50微米，这将使每平方毫米约有400个凸点。

    在未来，英特尔想要做的是缩减到大约10微米的凸点间距，并达到每平方毫米10,000个凸点，这样就可以在两个芯片之间实现更多的互连，从而能够提供更小、更简单的电路。这样就可以实现一个更为简单的电路，不必做扇入（fan-in）和扇出(fan-out)，可以使用更低的电容，也可以降低该通道的功耗。

    目前，手机的计算能力远远超过了20年前主流的数据中心，同时，汽车的电子化、家居的智能化等等，这些变化对芯片的要求只会越来越高。

    “顺应这些趋势，紧随而来的就是大量的计算，而摩尔定律意义就是继续推进与加速计算功能优化”，卢东晖博士表示，“用户正在寻求更高级别的定制以满足日益增长的特定市场需求，这未必需要最小和最先进的芯片，这意味着半导体公司可以优化制造来平衡客户的需求和晶圆成本，而将更多不同的节点或IP组合，在不同的制程或节点上混合集成，就可以为特定需求进行深度定制。”

    卢东晖博士认同，先进封装绝对是将来的主流技术之一，并且晶圆制造与先进封装之间的界限正越来越变得不那么截然。他以IEDM发表的论文中一个重大突破举例，芯片封装原有的一些工序，所需要的洁净度是1万级，但是新技术需要100级。因为传统封装尺寸很大，1万级就意味着在一个洁净室里，每立方米大于0.5微米的颗粒数要低于1万，而100级的话就是要低于100，相差100倍。原有组装厂的洁净室环境是无法实现这一要求的，未来，封装厂的升级方向会逐渐向晶圆厂的要求靠近，先进封装厂跟晶圆厂的区别越来越小，例如现在新的先进封装必须要100级的洁净室，其实和晶圆厂的要求是一样。

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