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為技術找到核心 多元化半導體持續創新
將創新轉化為產品

【作者: 王岫晨】   2021年08月09日 星期一

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觀察2021年主導半導體產業的新技術趨勢,可以從新的半導體技術來著眼。基本上半導體技術可以分為三大類,第一類是獨立電子、電腦和通訊技術,基礎技術是CMOS FinFET。在今天,最先進的是5奈米生產製程,其中有些是FinFET 架構的變體。這是大規模導入極紫外光刻技術,逐步取代多重圖形光刻方法。



圖一 : 半導體的創新必須能轉化為成本可承受的產品。
圖一 : 半導體的創新必須能轉化為成本可承受的產品。

我們知道,目前三星、台積電和英特爾等主要廠商與IBM 合作,正在開發下一代3/2奈米,在那裡我們會看到一種新的突破,因為他們最有可能轉向奈米片全環繞閘極技術,以延續摩爾定律。若他們成功開發出新的架構,就可以預期摩爾定律會延續一定的年限。


若想明白和做好做半導體領域的業務,還需要有一些提升整合度的方法,這就是所謂的3D異構,也就是利用多個裸片堆疊方法,來得到尺寸最小的系統晶片、系統模組和系統封裝的能力。至於記憶體和非快閃記憶體或DRAM,它們在存儲容量和耗能方面也遵循類似的過程,越來越節能,性能越來越好。



圖二 : ST的技術差異化基礎。
圖二 : ST的技術差異化基礎。

多元化半導體技術核心

意法半導體總裁暨執行長Jean-Marc Chery認為,在這個多元化的半導體世界,所有技術都有一個核心。多元化半導體公司包括TI、NXP、英飛淩、瑞薩和ST。首先是成熟的0.5微米到110奈米的8吋晶片製造技術,其次是成熟的19奈米到28奈米的12吋晶片製程。我們將28奈米視為電晶體閘極創新技術,用於製造成熟的12吋晶片。


圖三 : 意法半導體總裁暨執行長JEAN-MARC CHERY
圖三 : 意法半導體總裁暨執行長JEAN-MARC CHERY

當然,這個多元化產品的半導體世界,很快就會開始用16 奈米 FinFET技術,設計製造嵌入式處理解決方案和電源管理解決方案,滿足汽車和某些特定工業應用需求。


也許我們還會有另一個節點,10奈米到12奈米的FD-SOI技術。在這個多元化的世界,技術節點分佈的非常廣泛,從0.5微米到110奈米的8吋,再從19奈米到28奈米成熟的12吋,然後再到FinFET雙重圖形和三重圖形製程。這就是我所看到的現狀和趨勢。


同時,在多元化的世界中,功率元件材料和碳化矽創新速度很快(包括封裝創新、晶圓製造創新、原料創新,升級到8吋,以及優化單個矽錠產生晶圓數量的生產率創新)。所以,我們在功率元件領域也看到了快速的創新。


光學感測解決方案的發展趨勢也是這樣,我們都想要光學感測解決方案有更高的性能、更小的面積、更低的價格,目前許多半導體大廠(例如ST)正在推動這一技術創新。MEMS與光學感測器的情況非常相似,大家都希望感測器精度更高,功耗更低。所以多元化半導體世界的解決方案也是非常相似。這是因為基於CMOS(類比、混合訊號、射頻、嵌入式快閃記憶體)的功率產品、感測器和純類比技術是相互融合的,所以,晶片不限於記憶體、電腦和通訊。這就是我所看到的現狀趨勢。同樣,在多元化半導體世界裡,我們也提供3D整合這個了不起的創新技術。


將創新轉化為產品

JEAN-MARC說,2021年半導體的成功在於創新。希望客戶不要限制自己的創新力,半導體將能永遠滿足大家的需求。創新是全球半導體業共同努力的結果,有了適當規模的重要參與者投入適量的研發、創新和設計資金,才能把世界上最好的創新轉化為對客戶而言,成本可承受的產品。


觀察半導體產業競爭格局現狀,整個產業分為電腦、通訊、記憶體和多元化元件。市值超過100億美元的公司基本上有25家,有兩種運營模式:一種是無晶圓廠,另一種是IDM。在代工領域,有三家市值超過100億美元的上市公司,分別是台積電、聯電和中芯國際,還有兩家沒有上市的代工廠,他們是GlobalFoundries和三星。現階段確保半導體產業不斷發展和創新非常重要,各國提供激勵政策,鼓勵公平創新和均衡製造,這是我們所期望的,以及未來會規劃的方向。


意法半導體市場行銷、傳播及策略發展總裁Marco Cassis指出,以ST為例,我們並不打算布局一個只有在本地開發IP、本地設計、本地研發和本地製造才能展開業務的世界,這不是該公司謀劃的世界。從政府鼓勵政策中可以看到重要的政治意願,而希望這些政策能夠推動公平競爭,推進產業發展。而在現階段各種晶片缺貨的現狀下,出現這種情況也是正常的。


圖四 : 意法半導體市場行銷、傳播及策略發展總裁Marco Cassis
圖四 : 意法半導體市場行銷、傳播及策略發展總裁Marco Cassis

有些客戶也在改變他們的想法,對資本參與持開放的態度。我們將這種趨勢視為新事物,但不打算支援某些國家的晶片完全獨立自主的倡議和行動。不要忘記,在晶圓廠和製造技術背後,還有封測廠,這是一個複雜的封裝過程。然後還得有設備製造商提供晶圓製造和封裝設備,EDA供應商提供IP和設計工具。同時技術研發也非常重要,隨著人工智慧的到來,研發變得更加重要,最後還要有材料製造商。像美國、歐洲、中國大陸、臺灣、韓國和日本那樣退群單飛,是不可行的。


半導體差異化需要重新定義?

對於嵌入式處理解決方案,我們知道,直到某一個時間點前,評測微控制器所參考的產業標準是基於CMOS的技術,然後是嵌入式NOR快閃記憶體或嵌入式分離閘極技術。差異化更多地是圍繞著生態系統,圍繞微控制器來構建軟體生態系統,並簡化解決方案設計過程。同樣重要的是有一個廣泛的產品規劃。在微控制器發展到某一個階段前,差異主要集中在產品組合上。


現在,技術節點不斷縮小,根據應用和功耗,提供更高的即時性能。我們已經看到了一些差異化機會。例如,ST所開發的一種分離閘極替代技術,稱之為EESTM。此外,ST還開發出了28奈米PCM相變記憶體技術。在28奈米FD-SOI技術的車規微控制器,就內建了PCM記憶體和快閃記憶體。JEAN-MARC認為,在後段製程生產線測試驗證嵌入式快閃記憶體技術是汽車工業獨有的一個技術要求。 這項技術將有能力處理其他MCU的應用需求。


然後回到功率元件解決方案。同樣的差異化方法是,開發寬能隙材料、研發模組、改善BCD架構和技術,以及電流隔離,接著是能夠處理高壓的系統晶片和智慧功能。


至於光學感測解決方案,設計飛行時間技術、模組和紅外線成像感測器,透過整合解決方案,發現提供整體方案的機會,來達成半導體差異化的目標。


至於在類比元件方面。在ST的Agrate和Crolles兩個廠區,有BCD技術和CMOS技術,當這兩個工廠協作開發時,就可以研發出高性能的類比技術,並有機會實現多樣化和差異化。我們知道,在純通訊產業中,對規模、市場和入市能力或門檻的要求非常高,所以,ST的策略是在10多年前就選擇脫離通訊市場,轉而專注於產品多元化和差異化,主要在深耕汽車和工業市場。但是有選擇地布局獨立電子市場,這是因為能夠提供差異性非常強的產品。


結語

現階段我們看到製造業格局發生了變化,市場集中度不高了,但這並不是讓大家感到擔心的事情。大型的半導體廠將會自我調節。ST的策略源於社會大趨勢,運營模式是IDM,且在歐洲和亞洲都擁有重要的基礎設施,並且正在世界各地部署自己的技術創新中心和應用實驗室。因此放眼一家全球性國際半導體公司,除了擁有多元化的半導體產品,並專注於固有市場(如汽車和工業市場)。未來也必將考慮市場格局的變化,且不會與世界脫鉤。


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