2025年將改變半導(dǎo)體行業(yè)的大趨勢(shì)

生成式人工智能 (AI) 是推動(dòng)從芯片技術(shù)到軟件應(yīng)用等各方面發(fā)展的主要因素之一。它還改進(jìn)了開發(fā)工作流程。這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)是用于制造推動(dòng)這場(chǎng)革命的電子產(chǎn)品的材料。

展望今年的發(fā)展前景，筆者與默克集團(tuán)電子業(yè)務(wù)部門 EMD Electronics 分子間服務(wù)總裁 Ganesh Panaman 討論了推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。

哪些大趨勢(shì)正在推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)恢復(fù)增長(zhǎng)？

自生成式人工智能出現(xiàn)以來(lái)，用戶見證了它的變革能力。對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)說(shuō)，它既帶來(lái)了挑戰(zhàn)，也帶來(lái)了機(jī)遇?，F(xiàn)在，用戶可以利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)識(shí)別和優(yōu)化更智能的材料，以提高效率。然而，人工智能解決方案需要更多的功率和存儲(chǔ)空間，這帶來(lái)了制造更小、更快、更強(qiáng)大的芯片的挑戰(zhàn)。

隨著芯片變得越來(lái)越復(fù)雜，幾個(gè)原子將決定整個(gè)芯片的功能。我們需要新材料和增強(qiáng)當(dāng)前使用的材料，以實(shí)現(xiàn)更高性能的設(shè)備（圖 1）。

圖 1AI 和其他數(shù)字解決方案需要更多的功率和存儲(chǔ)空間，這給制造更小、更快、更強(qiáng)大的芯片帶來(lái)了挑戰(zhàn)。因此，我們需要能夠?qū)崿F(xiàn)更高性能設(shè)備的新材料和工藝。

此外，可穿戴設(shè)備已成為日常生活中的常態(tài)，尤其是眼鏡。這些新設(shè)備需要更精簡(jiǎn)的解決方案來(lái)支持 AR 和 VR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)）操作，新技術(shù)使這些操作可以在更小的設(shè)備內(nèi)運(yùn)行。

最后，全球關(guān)注可再生能源，可持續(xù)性正在推動(dòng)對(duì)太陽(yáng)能電池板、能源存儲(chǔ)系統(tǒng)和高效電源管理設(shè)備等應(yīng)用的需求。

將人工智能推向邊緣（例如 AR 眼鏡、自動(dòng)駕駛汽車的實(shí)時(shí)大量數(shù)據(jù)處理）不僅需要根據(jù)摩爾定律進(jìn)行擴(kuò)展，還需要替代架構(gòu)（例如神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和量子計(jì)算）來(lái)超越功率和內(nèi)存的限制。鑒于生成式人工智能的成功，這一趨勢(shì)將以前所未有的方式加速。

為什么半導(dǎo)體行業(yè)正處于「材料時(shí)代」？

技術(shù)變革要求半導(dǎo)體行業(yè)重新考慮如何為下一代芯片設(shè)計(jì)材料。替代架構(gòu)、改進(jìn)的性能以及對(duì)高帶寬內(nèi)存訪問的需求將需要傳統(tǒng)的擴(kuò)展方法和新材料、異質(zhì)集成、先進(jìn)封裝和設(shè)備設(shè)計(jì)以及材料協(xié)同優(yōu)化。多組分氧化物、硫族化物、透明導(dǎo)電氧化物、2D 材料和其他多組分合金在設(shè)備路線圖中變得越來(lái)越常見。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)半導(dǎo)體器件的固有性能，越來(lái)越需要在更高的抽象層次上共同優(yōu)化器件和材料技術(shù)。這標(biāo)志著材料研究方法論的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)（圖 2）。

圖 2 隨著半導(dǎo)體設(shè)備變得越來(lái)越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)精度變得越來(lái)越重要。

傳統(tǒng)上，新材料的發(fā)現(xiàn)依賴于艱巨、反復(fù)且昂貴的實(shí)驗(yàn)室合成和測(cè)試過程，涉及半導(dǎo)體制造商、工具制造商和材料供應(yīng)商。隨著人工智能將對(duì)半導(dǎo)體的需求推向前所未有的水平，這種模式面臨著挑戰(zhàn)，需要滿足快速、共同優(yōu)化和高效引入和擴(kuò)展新材料的需求。

EMD Electronics 等材料供應(yīng)商處于引領(lǐng)這些創(chuàng)新努力的有利位置，可以加速增長(zhǎng)，同時(shí)降低引入新材料帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

材料智能涉及在原子和分子水平上對(duì)材料的科學(xué)理解和工程設(shè)計(jì)，以及集成數(shù)字技術(shù)以優(yōu)化材料特性、性能和制造工藝。

通過將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于這些數(shù)據(jù)，EMD Electronics 可以預(yù)測(cè)各種條件下的材料行為，確定特定應(yīng)用的最佳材料成分，并提高制造效率。這種獨(dú)特的能力使得能夠在正確的地點(diǎn)、正確的時(shí)間生產(chǎn)出具有正確質(zhì)量的正確材料。

材料將把其推動(dòng)作用從前端擴(kuò)展到價(jià)值鏈的其他創(chuàng)新熱點(diǎn)，例如異構(gòu)集成。半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)摩爾定律受到挑戰(zhàn)的時(shí)代。對(duì)更快、更節(jié)能的計(jì)算的追求正在改變半導(dǎo)體行業(yè)。隨著我們從節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向整個(gè)價(jià)值鏈的系統(tǒng)范圍方法，涉及進(jìn)一步的多樣化和專業(yè)化，系統(tǒng)地尋求材料的下一個(gè)發(fā)展至關(guān)重要。

如何實(shí)現(xiàn)芯片制造商的技術(shù)路線圖？

EMD Electronics 正在開發(fā)先進(jìn)材料和工藝，以推動(dòng)半導(dǎo)體器件的不斷小型化。極紫外 (EUV) 光刻技術(shù)的創(chuàng)新對(duì)于制造更小、更密集的晶體管至關(guān)重要。尖端光刻膠和圖案化解決方案的開發(fā)有助于形成精確的納米級(jí)圖案，這對(duì)于縮小器件幾何形狀至關(guān)重要。

為了克服傳統(tǒng)平面縮放的局限性，垂直堆疊技術(shù)（例如 3D NAND 和背面電源通過硅通孔傳輸）變得越來(lái)越重要。先進(jìn)的介電和金屬化解決方案可確?？煽?、高效的垂直互連。蝕刻和沉積工藝的創(chuàng)新使多層結(jié)構(gòu)的精確構(gòu)建成為可能，從而在更小的占用空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的內(nèi)存密度和增強(qiáng)的性能。

隨著半導(dǎo)體器件變得越來(lái)越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)精度變得越來(lái)越重要。材料行業(yè)處于開發(fā)原子層沉積 (ALD) 和原子層蝕刻 (ALE) 技術(shù)的前沿，這些技術(shù)在原子尺度上提供了對(duì)材料特性和厚度的無(wú)與倫比的控制。這些技術(shù)對(duì)于制造具有出色均勻性和精度的超薄膜和界面至關(guān)重要，包括高縱橫比和地形挑戰(zhàn)性特征。

此外，二維材料和量子點(diǎn)等新型材料的進(jìn)步正在擴(kuò)大設(shè)備復(fù)雜性和功能的可能性。

這些創(chuàng)新共同推動(dòng)芯片制造商推進(jìn)其技術(shù)路線圖，在下一代半導(dǎo)體設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更高的性能、更高的效率和新的功能。

人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析在材料智能新時(shí)代發(fā)揮著怎樣的作用？

全球數(shù)據(jù)格局正在呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這為我們提供了前所未有的機(jī)會(huì)，能夠更深入地了解我們的生產(chǎn)流程和材料。然而，處理如此大量的數(shù)據(jù)本身就很復(fù)雜，這帶來(lái)了挑戰(zhàn)，需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案。EMD Electronics 使用 AI 來(lái)開發(fā)能夠更高效地運(yùn)行 AI 平臺(tái)的解決方案。

隨著 QC 參數(shù)的數(shù)量不斷增加，不能固守幾十年前的過時(shí)數(shù)據(jù)分析方法。適應(yīng)和采用先進(jìn)的分析方法對(duì)于控制相關(guān)參數(shù)和防止成本呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)至關(guān)重要?？茖W(xué)家和工程師使用最先進(jìn)的數(shù)字工具，結(jié)合 Intermolecular 服務(wù)的強(qiáng)大功能來(lái)推動(dòng)現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展。

通過利用先進(jìn)的設(shè)備測(cè)試功能對(duì)設(shè)備和材料進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，我們能夠充分利用人工智能在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的潛力。這推動(dòng)了人工智能的進(jìn)一步發(fā)展，并加速了各個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新。

通過研究不同材料、工藝和設(shè)備架構(gòu)之間的相互作用，可以在早期階段找到表現(xiàn)出卓越性能的解決方案。我們?cè)?DRAM 電容器堆棧工程、ALE 和神經(jīng)啟發(fā)計(jì)算等領(lǐng)域的工作充分體現(xiàn)并展示了這種數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

利用快速發(fā)展的材料建模和發(fā)現(xiàn)數(shù)字工具，還可以擴(kuò)大探索空間的廣度和深度，并有效地識(shí)別推動(dòng)芯片制造商創(chuàng)新的新分子和集成解決方案。

此外，加速材料創(chuàng)新需要獲取和處理大量數(shù)據(jù)的能力。此類過程需要量子計(jì)算和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)來(lái)識(shí)別新型化學(xué)物質(zhì)和材料。

這還需要高吞吐量和組合能力，以及快速制作原型和測(cè)試設(shè)備的能力，例如在分子間設(shè)施中擁有的設(shè)備。我們與 PsiQuantum 的合作是一個(gè)很好的例子，展示了我們?nèi)绾瓮ㄟ^開拓新材料實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的巨大改進(jìn)。

量子計(jì)算機(jī)規(guī)?；年P(guān)鍵部件是單光子探測(cè)器 (SPD)。這需要具有超導(dǎo)性的薄膜，且只能在極低溫度 (<10K) 下實(shí)現(xiàn)，這使得系統(tǒng)規(guī)?；兊镁哂刑魬?zhàn)性。

在 Intermolecular，我們成功識(shí)別出有前景的塊狀超導(dǎo)體，將其擴(kuò)展為薄膜，并優(yōu)化堆棧。結(jié)果證明了創(chuàng)紀(jì)錄的 SPD 性能，我們將繼續(xù)創(chuàng)新，以證明這種第二代材料的臨界溫度有了顯著改善。