More Moore和More than Moore牽引半導體行業(yè)的發(fā)展

摩爾定律（Moore‘s Law）是半導體行業(yè)的核心。按照摩爾定律，晶體管的尺寸隨著節(jié)點（Node）而縮小。此外，把各種小型、高速的晶體管集成到芯片上這一焦點問題以及人們無限的“欲望”推動著摩爾定律發(fā)展到今天。

與旨在通過使此類晶體管小型化來提高性能的“More Moore”不同，“More than Moore”中的元件使數(shù)字電子（Digital Electronics）直面模擬世界、代表著科技領(lǐng)域新功能的多樣化，隨著5G、IoT、無人駕駛、神經(jīng)傳感（Neural Sensor）等各種各樣的新應(yīng)用（Application）的登場，出現(xiàn)了前所未有的變化。

此外，如今的很多半導體廠家雖然也很重視尺寸、速度、電力，如果要用最高的節(jié)點（Node）來做成最佳尺寸（Geometry）的話，其實并不需要使用所有的尖端技術(shù)，半導體廠家需要理解這一點。

More than Moore的技術(shù)課題是什么？

對More than Moore而言，芯片生產(chǎn)商直面的技術(shù)課題并不是那么難，但是，也需要具體情況具體分析、且每種情況下的要求又是不同的，例如，有些情況需要采用特殊的構(gòu)造、有的需要采用非硅材料。大部分情況下，生產(chǎn)此類元件采用的是原用于研發(fā)硅制半導體的較大節(jié)點而開發(fā)的設(shè)備和工藝（Process），現(xiàn)在隨著新技術(shù)和尖端知識的進步而進步。

下面我們來看看在現(xiàn)實和數(shù)字（Digital）之間交換信息所需要的芯片、電路種類以及它們所面對的制造方面的課題。

（1）傳感器和變換器（Sensor& Transducer）

傳感器和變換器（Sensor& Transducer）是把物理量的變化轉(zhuǎn)為電信號，或者反之。這些變化的量、溫度、壓力、運動等，以及由此而產(chǎn)生的信號通常是模擬的，且根據(jù)值的范圍而不斷地變化。

傳感器的值根據(jù)感知的量而發(fā)生變化。如今的汽車配備了多達數(shù)百個傳感器，用于監(jiān)測發(fā)動機所必須的混合燃料、車內(nèi)一氧化碳濃度，涉及汽車的各個方面。加速傳感器監(jiān)測到汽車發(fā)生撞擊并展開安全氣囊。陀螺傳感器（Gyro Sensor）感應(yīng)汽車位置的移動。為掌握無人駕駛車輛周邊的情況，需要搭載大量的傳感器。搭載到新一代智能手機上的傳感器，使指紋3D識別成為可能（防止黑客入侵）、使具有較高靈敏度的麥克風對Home Automation System（家居自動化系統(tǒng)）的指令做出反應(yīng)。至于 Biomedical Sensor（生物醫(yī)學傳感器），不僅可以監(jiān)測人體的健康情況，還可以監(jiān)測人類在思考什么、如何思考的等等。

很多傳感器都是使用 MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems，微電子機械系統(tǒng)）工藝來生產(chǎn)的（即與生產(chǎn)半導體一樣，采用半導體生產(chǎn)工藝中使用的硅材料、工藝），而加工尺寸比硅制半導體元件要大得多。試驗證明，即使是加速傳感器和陀螺傳感器（Gyro Sensor）也具有較高的性能。此外，通過利用性能較高的壓電材料、元件（前提是采用新工藝、成膜技術(shù)、蝕刻技術(shù)），可以使3D指紋傳感、靈敏度較高的麥克風的性能發(fā)揮得較好。

（2）模擬和混合信號（Analog & Mixed Signal）

一般情況下，很多從傳感器輸出的電信號都是將電壓、電流轉(zhuǎn)換成模擬波的形式。為了靈活運用它們，需要進行諸如放大或過濾等各種調(diào)整，這是模擬線路的工作。這些模擬線路還可以用于其他的情況，如用來放大發(fā)送到音頻系統(tǒng)揚聲器中的音頻信號。

至于其他重要的模擬應(yīng)用（Analog Application），有無線通信（如Wi-Fi、Bluetooth等）、無線射頻信號（如無人駕駛系統(tǒng)的雷達）。對于較小尺寸（Geometry）而言，模擬線路并不總是有益的。對于模擬線路而言，一個小小的配件的細微的變化，可能對整個線路帶來無法預(yù)期的影響，因此，有時候很難設(shè)計、生產(chǎn)。

此外，混合信號（Mixed Signal）線路是數(shù)字和模擬組件（Component）的組合體。把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字（或者反之）的元件（或者設(shè)備）是十分重要的。

常有用戶提出要求說，希望用較少數(shù)量的芯片獲得較多的功能，因此，此類電路的需求迅速高漲。出現(xiàn)了以下這種生產(chǎn)工藝：在同一個芯片上形成用于模擬的雙極（Bipolar）晶體管、用于數(shù)字的CMOS、用于電源的DMOS等特殊類型的晶體管，這與數(shù)字線路占有較大比例的CPU等有較大的不同。

如今，混合線路的生產(chǎn)正在從200mm晶元向300mm晶元轉(zhuǎn)移，且已經(jīng)成為CMOS進行晶元尺寸轉(zhuǎn)換時研發(fā)的設(shè)備的備選應(yīng)用場景（Bridge Tool，橋接工具）。

（3）電源

對于所有的設(shè)備來說，電源的供給和管理至關(guān)重要。舉例來說用于風力渦輪機（Turbine）和高速火車的大功率設(shè)備（High Power Device）、電動汽車上的快速充電設(shè)備和高功率設(shè)備等，快速充電和電源管理對于各種小型移動設(shè)備來說都是必須的要素。

以上這些采用的技術(shù)各不相同，一些設(shè)備采用的是橫向尺寸較大、較薄的垂直結(jié)構(gòu)，此外，也有基于GaN、SiC等寬帶隙（Wide-Band-Gap）半導體的元件。

Lam Research大約在15年前就已經(jīng)開始銷售支持300mm晶元蝕刻的設(shè)備（RIE）“Versys Kiyo45”，近年來，此款設(shè)備已經(jīng)滿足了GaN、AIGaN基板的較高的蝕刻需求，且已經(jīng)滿足了200mm晶元的對應(yīng)要求，正在推進作為橋接工具（Bridge Tool）的活用。

（4）光通信和光電子元件

如果網(wǎng)絡(luò)逐步過渡過5G，人們對于能夠提高線路速度的光學元件的需求將會增加。這些元件因能把光信號轉(zhuǎn)化為電信號而將被廣泛使用，且主要采用激光二極管（Laser Diodes）、LED。舉個特殊的例子，現(xiàn)在人們正在研發(fā)如何把小型的LED（Micro LED）應(yīng)用的智能手機的顯示屏（Display）上。

這些光學元件中的光監(jiān)測器（Photo Detector）接收光信號，并轉(zhuǎn)換為電。而電光調(diào)制器（Electro-Optic- Modulator）則用于調(diào)整光信號的位相、頻率、振幅、偏光等。而且，光隔離器（Isolator）則用來阻擋反射回來的光、導波管負責在芯片內(nèi)部發(fā)送信號。

較活潑的光通信以及光電子設(shè)備多采用寬帶隙（Wide-Band-Gap）化合物半導體構(gòu)成的，而像導波管這樣的被動元件基本是用硅制的。在這些生產(chǎn)工藝中，需要嚴格控制晶元間波長的均勻性、光學特性（如光的折射率等）。

隨著互聯(lián)設(shè)備（Connected Device）的迅速普及，在可攜帶（Portable）設(shè)備、可穿戴（Wearable）設(shè)備、IoT和5G通信、云儲存（Cloud Storage）、無人駕駛技術(shù)等無數(shù)新應(yīng)用（Application）領(lǐng)域，都在創(chuàng)新著適合各個領(lǐng)域的專用設(shè)備及需求。這些設(shè)備中的很大一部分都不需要高級節(jié)點（Node）帶來的細微化工藝，且可以利用技術(shù)枯竭的傳統(tǒng)節(jié)點導入系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)筑新的系統(tǒng)。但是，我們需要記住的是未來還需要調(diào)整某些特定的功能、提高那些通過利用新技術(shù)和新知識獲得的選擇性的功能。
責任編輯：tzh