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2023年熱點(diǎn)技術(shù)回顧

發(fā)布人:旺材芯片 時(shí)間:2024-02-15 來源:工程師 發(fā)布文章

2023年,我們站在了一個(gè)科技飛速發(fā)展的十字路口。半導(dǎo)體行業(yè)觀察整理了本年度特別值得關(guān)注的技術(shù)熱點(diǎn),包括Chiplet架構(gòu)、RISC-V指令集、人工智能(AI)芯片、高帶寬內(nèi)存(HBM)、先進(jìn)的封裝技術(shù)、新興的接口互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)(如PCIe和UCIe)、光子芯片、寬禁帶半導(dǎo)體,以及不斷進(jìn)化的光刻技術(shù)。這些技術(shù)不僅僅是科技發(fā)展的單點(diǎn)突破,它們相互交織、互為補(bǔ)充,共同推動(dòng)了整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和電子制造領(lǐng)域的巨大飛躍。


01


Chiplet


Chiplet 是小型模塊化芯片,組合起來形成完整的片上系統(tǒng) (SoC)。它們提高了性能、降低了功耗并提高了設(shè)計(jì)靈活性。概念已經(jīng)存在了幾十年,早在2007年5月,DARPA也啟動(dòng)異構(gòu)異構(gòu)系統(tǒng)的COSMOS項(xiàng)目Chiplet,其次是用于Chiplet模塊化計(jì)算機(jī)的 CHIPS 項(xiàng)目。但最近,Chiplet在解決傳統(tǒng)單片 IC 縮小尺寸的挑戰(zhàn)方面受到關(guān)注。這是當(dāng)前芯片制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸與終端對芯片性能需求之間矛盾所產(chǎn)生的妥協(xié)結(jié)果。


據(jù)Yole所說,每個(gè)新芯片設(shè)計(jì)都需要設(shè)計(jì)和工程資源,并且由于新節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性不斷增加,每個(gè)新工藝節(jié)點(diǎn)的新設(shè)計(jì)的典型成本也隨之增加。這進(jìn)一步激勵(lì)人們創(chuàng)建可重復(fù)使用的設(shè)計(jì)。小芯片設(shè)計(jì)理念使這成為可能,因?yàn)橹恍韪淖冃⌒酒臄?shù)量和組合即可實(shí)現(xiàn)新的產(chǎn)品配置,而不是啟動(dòng)新的單片設(shè)計(jì)。例如,通過將單個(gè)小芯片集成到 1、2、3 和 4 芯片配置中,可以從單個(gè)流片創(chuàng)建 4 種不同的處理器品種。如果完全通過整體方法完成,則需要 4 次單獨(dú)的流片。


正因?yàn)槿绱耍悩?gòu)小芯片集成市場正在快速增長。據(jù)估計(jì),小芯片的市場價(jià)值預(yù)計(jì)到 2025 年將達(dá)到 57 億美元,到 2031 年將達(dá)到 472 億美元。電子設(shè)計(jì)中對高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、模塊化和定制的需求不斷增長正在推動(dòng)這一增長。


02


RISC-V


放眼全球芯片市場,x86與ARM指令集架構(gòu)各立山頭。前者在通用處理器市場稱霸多年,在PC及服務(wù)器市場一家獨(dú)大;后者隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)大潮崛起,成為當(dāng)下移動(dòng)端最主流的處理器架構(gòu),而憑借開源、精簡、模塊化的優(yōu)勢,RISC-V開始備受企業(yè)追捧,正在成為搭建計(jì)算生態(tài)的一種新選擇。


2015年,RISC-V國際基金會(huì)的成立,將RISC-V從高校推向產(chǎn)業(yè)界,其生態(tài)建設(shè)才開始加速。與此同時(shí),RISC-V的發(fā)展與同時(shí)期興起的物聯(lián)網(wǎng)熱潮不謀而合。物聯(lián)網(wǎng)市場的爆發(fā)改變了x86和ARM兩強(qiáng)稱霸的局面,RISC-V架構(gòu)開放、靈活、精簡的獨(dú)特優(yōu)勢完美解決了物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)λ槠筒町惢氖袌鲂枨蟆?/p>


據(jù)統(tǒng)計(jì),2022年全球采用RISC-V架構(gòu)的處理器出貨量超過100億顆,僅用十二年就走完了傳統(tǒng)架構(gòu)30年的發(fā)展歷程。據(jù)Counterpoint Research預(yù)測,2025年RISC-V架構(gòu)芯片預(yù)計(jì)將突破800億顆,年復(fù)合增長率高達(dá)114.9%。RISC-V的商業(yè)化價(jià)值將更加凸顯。


03


AI芯片


如今在全球市場中,我們正在見證一場前所未有的范式轉(zhuǎn)變。在 OpenAI的ChatGPT引起消費(fèi)者和投資者的關(guān)注后,各行業(yè)的企業(yè)都在競相整合人工智能功能。美股市值超1萬億的巨頭中,蘋果以3.08兆美元的市值位列榜首,緊隨其后的是微軟(2.51兆美元)、Google母公司Alphabet(1.67兆美元)、亞馬遜(1.35兆美元)和英偉達(dá)(1.15兆美元),除蘋果依靠iPhone等消費(fèi)類設(shè)備,其他四家科技巨擘都在全力推動(dòng)與AI領(lǐng)域的融合。


AI這場東風(fēng),也使得芯片供應(yīng)鏈中的企業(yè)獲益匪淺,首先是,英偉達(dá)憑GPU獨(dú)攬整個(gè)生成式AI芯片市場,SK海力士和三星等因HBM而受惠,負(fù)責(zé)封裝和代工的臺(tái)積電也是供不應(yīng)求,產(chǎn)能直線告急,日月光/SPIL等封測廠得以從臺(tái)積電手中分得封裝外包訂單。還有眾多AI芯片玩家在虎視眈眈,就連IBM也在推其潛心研究了5年的AIU芯片。生成式人工智能的“淘金熱”,正在率先讓一部分“賣鏟人”富起來。


04


HBM


近年來,在AI高算力需求推動(dòng)下,HBM正在大放異彩。尤其是進(jìn)入2023年后,以ChatGPT為代表的生成式AI市場的瘋狂擴(kuò)張,在讓AI服務(wù)器需求迅速增加的同時(shí),也帶動(dòng)了HBM高階存儲(chǔ)產(chǎn)品的銷售上揚(yáng)。


TrendForce數(shù)據(jù)顯示,2023年全球搭載HBM總?cè)萘繉⑦_(dá)2.9億GB,同比增長近60%,預(yù)計(jì)2024年還將再增長30%。SK海力士預(yù)測,HBM市場到2027年將出現(xiàn)82%的復(fù)合年增長率。


在此發(fā)展勢頭下,作為AI芯片的主流解決方案,HBM受到了存儲(chǔ)巨頭的高度重視。自2014年SK海力士首次成功研發(fā)HBM以來,三星、美光等存儲(chǔ)巨頭也紛紛入局,展開了HBM的升級競賽,目前HBM已從第一代HBM升級至第四代HBM3,產(chǎn)品帶寬和最高數(shù)據(jù)傳輸速率記錄被不斷刷新。下一代HBM3E超帶寬解決方案也已在樣品測試階段,HBM4也被提上議程。


05


先進(jìn)封裝


在后摩爾時(shí)代,隨著半導(dǎo)體制程技術(shù)逐漸接近物理極限,先進(jìn)封裝(Advanced Packaging)技術(shù),尤其是3D封裝技術(shù),已成為推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵力量。這些技術(shù)通過高度集成的方法,實(shí)現(xiàn)了更多組件在有限空間內(nèi)的密集封裝,從而顯著提升了芯片的整體性能和能源效率。此外,先進(jìn)封裝技術(shù)在滿足數(shù)據(jù)中心和高速網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施對高密度、高性能計(jì)算需求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。


隨著技術(shù)的成熟和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,先進(jìn)封裝技術(shù)的市場份額預(yù)計(jì)將逐漸超過傳統(tǒng)封裝方法。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole數(shù)據(jù)預(yù)測,全球先進(jìn)封裝市場規(guī)模將由2022年的443億美元,增長到2028年的786億美元,年復(fù)合成長率為10.6%。這種趨勢不僅反映了技術(shù)創(chuàng)新的需求,也指出了封測市場未來的主要增長方向。



值得注意的是,眾多行業(yè)巨頭已經(jīng)在先進(jìn)封裝領(lǐng)域展開了激烈的競爭。臺(tái)積電、三星和英特爾等集成電路制造商,以及日月光、Amkor和長電科技等外圍供應(yīng)鏈上的封裝與測試(OSAT)廠商,都在積極推進(jìn)先進(jìn)封裝技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用。這些公司不僅在提高封裝技術(shù)的性能和可靠性方面做出了貢獻(xiàn),同時(shí)也在探索更為經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)方法,以適應(yīng)日益增長的市場需求。


06


接口互聯(lián)


在當(dāng)今日益復(fù)雜和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算世界中,硬件互聯(lián)技術(shù)的重要性不斷增長。隨著數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算和人工智能的迅速發(fā)展,需要更高效、更靈活的通信解決方案來應(yīng)對日益增長的性能需求。在這個(gè)背景下,PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)、UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express)和CXL(Compute Express Link)這三種技術(shù)成為了推動(dòng)現(xiàn)代計(jì)算革新的關(guān)鍵力量。


PCIe是一種高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn),廣泛用于連接主板與多種硬件設(shè)備,如顯卡、網(wǎng)絡(luò)卡、SSD等。其高帶寬和低延遲的特性使其在各類計(jì)算設(shè)備中占據(jù)核心地位。然而,隨著技術(shù)的發(fā)展,單一設(shè)備內(nèi)部的通信需求日益復(fù)雜化,這促使行業(yè)尋求更先進(jìn)的互聯(lián)方案。


這幾年,UCIe和CXL應(yīng)運(yùn)而生。UCIe作為一種新興的標(biāo)準(zhǔn),旨在提高不同制造商Chiplet技術(shù)的互操作性。它為芯片粒間的通信提供一個(gè)統(tǒng)一的接口,從而簡化了多個(gè)芯片粒組合成單一集成電路的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程。這有助于加速Chiplet技術(shù)的發(fā)展和采用,特別是在高性能計(jì)算領(lǐng)域。與此同時(shí),CXL技術(shù),基于PCIe的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,專注于優(yōu)化處理器與加速器之間的通信。CXL能夠提供高帶寬、低延遲的通信,并支持先進(jìn)的內(nèi)存協(xié)同特性。這使得CXL適合于數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算環(huán)境,尤其是在需要大量數(shù)據(jù)共享和處理的場景中。


總的來說,PCIe、UCIe和CXL不僅僅是連接技術(shù)的進(jìn)步,更是計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)縮影。它們代表著向更高效、更互聯(lián)、更智能計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。


07


光子芯片


硅光子技術(shù)(Silicon Photonics)被業(yè)界視為突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸、開啟摩爾定律新篇章的關(guān)鍵。臺(tái)積電聲稱硅光子代表了半導(dǎo)體的新時(shí)代。


硅光子技術(shù)由英特爾于2010年推出,硅光子技術(shù)的核心在于集成「光」路,即在硅基平臺(tái)上將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),實(shí)現(xiàn)電與光的高效傳導(dǎo)。光與電子的結(jié)合不僅解決了傳統(tǒng)銅導(dǎo)線在信號(hào)傳輸過程中的能量損耗問題,更為芯片間的高速通信提供了前所未有的可能性。由于其成本相對較高,目前僅限于數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器市場。


硅光子還具有解決熱量問題的潛力,這是當(dāng)前電子芯片最大的挑戰(zhàn)之一。多家半導(dǎo)體行業(yè)巨頭,如臺(tái)積電、英特爾等,已經(jīng)投入大量資源研發(fā)這項(xiàng)革命性技術(shù)。2023年10月,據(jù)臺(tái)媒報(bào)道,臺(tái)積電攜手英偉達(dá)、博通,投入200位研發(fā)人員,專攻硅光,預(yù)計(jì)最早將于2024年下半年開始生產(chǎn)。從市場前景上來看,據(jù)SEMI估計(jì),至2030年全球硅光子市場價(jià)值將達(dá)到78.6億美元,年復(fù)合成長率(CAGR)為25.7%。


08


寬禁帶半導(dǎo)體


寬禁帶半導(dǎo)體是指禁帶寬度大于2.4 eV的半導(dǎo)體材料。寬禁帶半導(dǎo)體如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)在2023年得到了更廣泛的應(yīng)用。它們因其在高溫、高電壓和高頻率下的優(yōu)異性能而受到青睞,尤其是在電力電子和電動(dòng)汽車領(lǐng)域。


SiC的熱度。Yole的數(shù)據(jù),到2027年,SiC器件市場預(yù)計(jì)將從2021年的10億美元增長到60 億美元以上。因此,眾多的功率半導(dǎo)體廠商如英飛凌、ST、安森美、羅姆等都重磅押注SiC。下游的汽車廠商爭著抱這些SiC巨頭的“大腿”,與這些廠商簽訂長約。瑞薩也不甘于人后,豪擲20億美元與WolfSpeed簽署 10 年碳化硅晶圓供應(yīng)協(xié)議宣布入局SiC。


在SiC MOSFET的技術(shù)發(fā)展路線上,呈現(xiàn)出“平面柵”和“溝槽刪”花開兩朵的局勢。國際的SiC巨頭如羅姆、英飛凌、日本電裝、住友電工、三菱電機(jī)、ST、安森美、Qorvo等基本上都在布局溝槽式。國內(nèi)方面目前大多以平面柵為主。


氮化鎵也具有獨(dú)特的優(yōu)勢,隨著東芝、羅姆等大廠的相繼入場,讓GaN成為了功率半導(dǎo)體新的增長點(diǎn)。從技術(shù)發(fā)展來看,GaN器件也有兩種技術(shù)路線,分別是:平面型和垂直型,平面型GaN器件通常基于非本征襯底,如Si、SiC、藍(lán)寶石(Sapphire)等,但是平面型的不同襯底各自有難以改變的缺點(diǎn),難以滿足大家的需求;因此,垂直型的GaN-on-GaN帶來了新的希望。不少專家預(yù)測,氮化鎵的前景之廣闊,比SiC有過之無不及。

而金剛石(也稱鉆石)則被稱為是半導(dǎo)體的終極材料。它具有最高的熱導(dǎo)率,這意味著它能夠非常有效地散發(fā)熱量,在高功率電子器件中,熱管理是一個(gè)重要問題,金剛石半導(dǎo)體在這方面具有明顯優(yōu)勢。此外它還具有極高的絕緣性,一組數(shù)據(jù)可以有著直觀的感受:硅材料的擊穿電場強(qiáng)度為0.3 MV/cm左右,SiC為3 MV/cm,GaN為5 MV/cm,而鉆石則為10 MV/cm。

更重要的是,已經(jīng)有公司研究證明,金剛石可與集成電路晶圓直接粘合。金剛石半導(dǎo)體在提高能源效率、減小體積以及提高性能方面顯示出巨大的潛力。金剛石半導(dǎo)體也有望應(yīng)用于射頻通信、高頻率電子器件、粒子探測器,甚至在未來的量子計(jì)算領(lǐng)域。


09


光刻技術(shù)


近幾年來,大眾對光刻技術(shù)已經(jīng)有所了解。光刻技術(shù)是半導(dǎo)體制造中不可或缺的一部分,光刻是將光學(xué)圖形轉(zhuǎn)移到硅晶圓表面上的過程。而且隨著芯片制程來到7nm以下,還需要極紫外(EUV)光刻技術(shù)。


EUV光刻機(jī)的供應(yīng)商荷蘭的ASML,正在不斷改進(jìn)EUV光刻機(jī)的性能,包括提高光源功率、提升圖案覆蓋率和減少機(jī)器停機(jī)時(shí)間。一臺(tái)EUV光刻機(jī)的價(jià)格大約接近1.7億美元,未來每個(gè)High-NA EUV光刻機(jī)的成本將超過3.5億美元。


隨著芯片晶體管線寬已趨近物理極限,而且EUV光刻機(jī)產(chǎn)能有限、成本高等發(fā)展難題之下,納米壓印技術(shù)(NIL)走到了臺(tái)前。納米壓印是一種創(chuàng)新的納米制造技術(shù),它通過物理壓印方法來創(chuàng)建納米級別的圖案。相比傳統(tǒng)的光刻技術(shù),NIL提供了更高的分辨率、更低的成本和更快的生產(chǎn)速度。在半導(dǎo)體制造、納米器件生產(chǎn)和各種納米級應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注。




結(jié)語


總體而言,2023年半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新呈現(xiàn)出以下特點(diǎn):


  1. 系統(tǒng)級創(chuàng)新成為主流,Chiplet、RISC-V、先進(jìn)封裝等技術(shù)得到了快速發(fā)展。


  2. 新興技術(shù)如光子芯片、寬禁帶半導(dǎo)體等技術(shù)開始在部分領(lǐng)域得到應(yīng)用。這些技術(shù)的不斷發(fā)展,將推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。


來源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察


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