半導(dǎo)體工藝技術(shù)：它的歷史、趨勢和演變

半導(dǎo)體行業(yè)的數(shù)字、模擬、工具、制造和材料領(lǐng)域都有重大發(fā)展。芯片開發(fā)需要從設(shè)計(jì)到制造的各個(gè)層面的先進(jìn)復(fù)雜工藝。為了應(yīng)對目前正在蔓延的對半導(dǎo)體日益增長的需求，需要從建筑設(shè)計(jì)到可持續(xù)材料采購和端到端制造進(jìn)行重大變革。因此，采用高效的最新技術(shù)，并解決先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)，是該行業(yè)的現(xiàn)狀。

物聯(lián)網(wǎng)和半導(dǎo)體用于數(shù)字化轉(zhuǎn)型：

最近，我們的互聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備和5g都有了重大發(fā)展。我們需要從根本上了解將導(dǎo)致這一新創(chuàng)新的基本技術(shù)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)和5g，人工智能的進(jìn)化將盡早到來。在過去的30年里，半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)成為提升計(jì)算能力的驅(qū)動(dòng)力。一般來說，大約50%的計(jì)算硬件成本被認(rèn)為是半導(dǎo)體。基于這種半導(dǎo)體技術(shù)，人工智能計(jì)算設(shè)備將更無縫地滲透到社會(huì)中。例如，自動(dòng)駕駛汽車是一種移動(dòng)邊緣計(jì)算，使用高級算法來處理和分析運(yùn)行數(shù)據(jù)。有了5g通信基礎(chǔ)設(shè)施，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)視覺來了解周圍環(huán)境，并計(jì)劃和執(zhí)行安全駕駛操作。這使移動(dòng)更加安全、智能和高效。從供水系統(tǒng)到服裝，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將任何產(chǎn)品都變成了智能設(shè)備。高需求行業(yè)包括零售、醫(yī)療保健、生命科學(xué)、消費(fèi)品和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

在即將到來的創(chuàng)新中，個(gè)性化芯片變得更容易獲得，芯片生產(chǎn)變得更高效，更重要的是，更可持續(xù)。當(dāng)連接設(shè)備在未來變得更加流行時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)對半導(dǎo)體行業(yè)變得更加重要。在智能手機(jī)行業(yè)停滯不前之后的當(dāng)下，我們必須尋找其他方式來發(fā)展一個(gè)有潛力的行業(yè)。當(dāng)然，最合乎邏輯的選擇是物聯(lián)網(wǎng)。由于沒有傳感器和集成電路，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用就無法工作，因此所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都需要半導(dǎo)體。在長期引領(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)增長的智能手機(jī)市場趨于平淡的同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)市場將為半導(dǎo)體制造商帶來新的收入，并將從每年3%增長到4%。

半導(dǎo)體的巨大趨勢和未來前景

半導(dǎo)體的工藝節(jié)點(diǎn)是指示諸如芯片之類的晶體管的大小的指標(biāo)。節(jié)點(diǎn)數(shù)量逐年增加，計(jì)算能力也相應(yīng)提高。這是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，意味著不同的電路生成和架構(gòu)。技術(shù)節(jié)點(diǎn)越小，功能尺寸越小，晶體管越小，能效越快。因此，更小的外形尺寸能夠開發(fā)出更復(fù)雜的計(jì)算機(jī)和設(shè)備。工藝節(jié)點(diǎn)與CMOS晶體管的性能之間也存在相關(guān)性。頻率、功率和物理大小會(huì)隨著工藝節(jié)點(diǎn)的選擇而變化。因此，了解半導(dǎo)體工藝在未來如何演變變得非常重要。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)英特爾宣布了第一個(gè)微處理器4004。從那時(shí)起，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的節(jié)點(diǎn)尺寸的發(fā)展，計(jì)算能力呈指數(shù)級增長?，F(xiàn)在，它生產(chǎn)更小、更強(qiáng)大的設(shè)備，如智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴終端。例如，蘋果A15仿生學(xué)采用了7納米節(jié)點(diǎn)技術(shù)，這是蘋果目前最新產(chǎn)品的核心，可操作近40億個(gè)晶體管。

工藝節(jié)點(diǎn)在半導(dǎo)體技術(shù)中的作用

影響微控制器性能的一個(gè)重要因素是半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)。由于技術(shù)進(jìn)步，每臺(tái)微型計(jì)算機(jī)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量都有所增加，過去幾年的這一趨勢預(yù)計(jì)將持續(xù)下去。技術(shù)節(jié)點(diǎn)（工藝節(jié)點(diǎn)、工藝技術(shù)或簡稱為節(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。如果節(jié)點(diǎn)不同，則電路的生成或架構(gòu)通常不同。技術(shù)節(jié)點(diǎn)越小，功能尺寸越小，晶體管越小，速度越快，能效越高。這里，從歷史的角度來看，工藝節(jié)點(diǎn)的名稱取自晶體管的各種特性，例如柵極長度和M1半節(jié)距。然而，最近，營銷和制造商之間的差異已經(jīng)失去了它們曾經(jīng)的確切含義。一個(gè)新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，如22nm、16nm、14nm和10nm，只是某些技術(shù)制造的芯片產(chǎn)生的指標(biāo)。它不反映門的長度或半節(jié)距。然而，目前的情況是，主要制造商的命名受到尊重。

最初，初期的半導(dǎo)體工藝以HMOs III和CHMOS v命名。新一代工藝將被稱為技術(shù)節(jié)點(diǎn)或工藝節(jié)點(diǎn)。這是工藝晶體管納米（歷史上為一微米）工藝（如90nm工藝）的最小特征尺寸的柵極長度的表示。然而，自1994年以來，情況發(fā)生了變化，工藝節(jié)點(diǎn)名稱所用的納米數(shù)已成為一個(gè)與實(shí)際功能尺寸和晶體管密度（每平方毫米晶體管數(shù)）無關(guān)的營銷術(shù)語。

技術(shù)節(jié)點(diǎn)的演變

開始技術(shù)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)于晶體管的物理特征尺寸。每臺(tái)微型計(jì)算機(jī)都由晶體管組成，晶體管本質(zhì)上切換電流，使微型計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行邏輯功能。技術(shù)節(jié)點(diǎn)，如28nm和65nm，指向可以在布局上繪制的最小數(shù)據(jù)形狀（半節(jié)距或柵極長度）。然而，在技術(shù)節(jié)點(diǎn)的名稱中沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，并且上述28nm和65nm是從傳統(tǒng)平面MOSFET中所示的晶體管的最小柵極長度導(dǎo)出的。該技術(shù)節(jié)點(diǎn)通常顯示如何將高密度晶體管放置在1平方毫米的基板上。然而，隨著技術(shù)創(chuàng)新發(fā)生在22納米和鰭狀場效應(yīng)晶體管（FinFET）之后，結(jié)構(gòu)變得三維，字柵極長度不再適合工藝技術(shù)。隨著從平面結(jié)構(gòu)到FinFET和柵極環(huán)繞FET（GAA-FET）的轉(zhuǎn)變，諸如10nm和5nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)不再反映柵極長度和半節(jié)距。

為了實(shí)現(xiàn)下一代IoT設(shè)備，瑞薩在開發(fā)新工藝技術(shù)方面發(fā)揮著重要作用。隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，設(shè)計(jì)師們正在尋求減小設(shè)備的尺寸、速度和節(jié)能。為了滿足這種需求，瑞薩開發(fā)了一種新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備最小化和低功耗工藝技術(shù)。它有40納米優(yōu)化的閃存微型計(jì)算機(jī)，具有最小功耗和最大性能，110納米優(yōu)化的寬電壓范圍和最小功耗。瑞薩rl78、RA和Rx微型計(jì)算機(jī)可以以比以往任何時(shí)候都更高的速度運(yùn)行，并以低功耗運(yùn)行，同時(shí)保留所有功能和特點(diǎn)。

瑞薩是一家為工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品提供半導(dǎo)體解決方案的領(lǐng)先公司，也是支持物聯(lián)網(wǎng)和最近的國際物聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)開發(fā)的先進(jìn)方法。一個(gè)例子是我們在稱為mf4的110 nm區(qū)域開發(fā)了自己的低功率工藝技術(shù)，這導(dǎo)致了適用于廣泛端點(diǎn)的超低功率器件的開發(fā)。隨著從汽車到消費(fèi)電子產(chǎn)品的所有產(chǎn)品都連接到互聯(lián)網(wǎng)，以及越來越多的設(shè)備上網(wǎng)，對這些低功耗設(shè)備的需求正在增加，能源消耗也有增加的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這個(gè)問題，瑞薩開發(fā)了一種新的電源管理系統(tǒng)，可以將功耗降低30%，從而可以用比以往更低的功率生產(chǎn)更小的芯片。