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2030年,全球芯片业务将达1兆美元市场规模

时间:2018-08-31 作者:Dylan McGrath 阅读:
越来越多的工程师和芯片公司开始着眼于「异质整合」的概念——将单独制造的硅和非硅组件整合于相同3D系统级装(SiP)的更高层级系统,作为提升电子产业生产力的未来驱动力…

在不久前举行的美国西部半导体展(Semicon West)上,国际半导体产业协会(SEMI)总裁兼执行长Ajit Manocha在一场主要由测试和封装业者代表参与的会议上发表评论。他简要地介绍了许多重要话题,包括现已解散的国际半导体技术发展蓝图(International Technology Roadmap for Semiconductors;ITRS)、人工智能(AI)的经济吸引力,以及在摩尔定律(Moore's Law)后的未来发展。

Manocha并提到,2017年全球半导体销售额成长了22%,这是几年前所无法想象的荣景,他并预期在2030年,全球芯片业务将达到1兆美元的市场规模。

Ajit Manocha
Ajit Manocha

根据各自的立场不同,摩尔定律不是被认为气数已尽,就是将在各节点突破障碍,勇往直前。至于在后摩尔定律(post-Moore's Law)时代将出现哪些半导体产业指导原则,目前也仍然是争论重点。但是,越来越多的工程师和芯片公司开始着眼于「异质整合」(heterogeneous integration)的概念——将单独制造的硅和非硅组件整合于相同3D系统级装(SiP)的更高层级系统,作为提升电子产业生产力的未来驱动力。

Manocha发表演说的这场会议,事实上是一场由IEEE支持的异质整合技术蓝图(HIR)研讨会,其目的在于建立一个竞争前的技术蓝图,擘划异质整合技术的长期愿景,并找出其挑战以及可能的解决方案。

「业界需要一些指导方向,」Manocha告诉与会者,SEMI将与IEEE连手,共同管理HI技术蓝图以及另外两项IEEE发展蓝图——国际组件设备和系统技术蓝图(International Technology Roadmap for Devices and Systems;IRDS)以及宽能隙半导体国际技术蓝图(International Technology Roadmap for Wide Band-gap Semiconductors)。「我们将负责为业界制订发展蓝图,并让业界进行验证与反馈。」

自2016年起,半导体产业协会(SIA)取代备受关注的ITRS后,半导体产业在某种程度上一直处于无人引航的状态。唯有透过技术蓝图提出全产业的目标和技术方向,先进芯片制造商们才能持续开辟让其他产业得以追随的道路。

「技术蓝图让整个产业都能受惠。」资深封装分析师兼TechSearch International创办人兼总裁E. Jan Vardaman说,「技术蓝图让业界了解如何进入下一步。」

日月光半导体(ASE)院士兼资深技术顾问William T. Chen说,业界合作建立技术蓝图,将有助于让每个人的工作更省时省力,就像让美国州际高速公路系统的结构到位一样。「我们有责任确保关注的领域能够反映在技术蓝图上。」William T. Chen同时也是HIR委员会共同主席。

HIR计划始于2016年,目的在于确保电子产业到2031年的各种异质整合要求,找出其挑战以及潜在的解决方案。该技术蓝图草案最初预计在今年七月发布,但现在预计要到10月中旬才会揭露,其后将每年更新一次。

Chen说:「我们花了50年的时间才走到今天这一步。如今,我们需要建立一个知识库,但它并不会在一夜之间发生。」

范围更广泛

Manocha曾任SIA主席与副主席、Globalfoundries执行长,在ITRS技术蓝图停止发行后仍积极参与SIA。他在七月的HIR会议上告诉与会者,多年来,半导体产业「走向了ITRS提供的方向,但SIA却不再支持该蓝图了」。现在,他将和SEMI承担起「在SIA放下的责任并积极管理一技术蓝图」。

Manocha除了是SEMI执行长,如今也是HIR全球顾问委员会的一员。他在接受《EE Times》采访时说:「我们为定义未来15年技术创新的长期愿景提供了引导。」他补充说,他和SEMI将扮演的角色之一是「确保其为产业、学术界、研究机构和政府的利益相关者之价值主张得到所有人的理解和使用。」

HIR计划在许多方面都比ITRS的范围更广。由于异质概念包含快速发展的设计概念、封装架构、组件类型、材料、制造制程和系统整合技术,HIR的工作涉及整个供应链的参与——从芯片制造商、材料供货商、设备公司、测试/装配供货商、EDA公司以及其他人等。

William Chen
William Chen

目前,这项任务涉及22个独立的技术工作组(TWG),涵盖组件、设计组件、封装技术、材料、安全性、热管理以及供应链等。

在今年5月于圣地亚哥举行的HIR研讨会上,加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)计算机科学教授Andrew Khang指出,HIR计划也关注于ITRS从未关注的应用市场,包括高性能运算/数据中心、物联网(IoT)、医疗/健康/穿戴式装置、汽车、航天/国防和行动等六大应用领域。

「ITRS以往只专注于一种产业。」Chen说:「当时存在一种驱动力道,而今[电子产业]拥有许多的驱动力和多种样貌。」

典范转移

对于半导体产业而言,从永远专注于扩展摩尔定律转变为以异质整合提升产能的世界,可说是一项不小的尝试。

Bill Bottoms
Bill Bottoms

半导体测试先驱Bill Bottoms同时也是HIR委员会共同主席,他指出Semiconductor Research Corp.去年发表了一份名为「半导体研究机会:产业愿景和指南」(Semiconductor Research Opportunities: An Industry Vision and Guide)的半导体研究报告。Bottoms摘要该报告指出,研究将有助于使AI、IoT、高性能运算以及「社会期待和依赖的永远连网世界」等应用取得突破性进展。

但Bottoms指出,从整个产业的历史来看,大部份的半导体研发都集中在推动摩尔定律的进展。Bottoms说:「但摩尔定律的经济终结时刻即将到来。没人会对此表示质疑。」

为了向前发展,业界需要新技术。Bottoms说,业界需要新的组件来增强硅基晶体管,同时必须开发新的运算架构,以取代传统的冯·诺依曼(von Neumann)系统架构,从而产生全新的运算典范。

「我们必须结合整个产业、政府和学术界共同努力。」Bottoms说:「此外,还必须跨越国家界限携手合作。」

据Bottoms表示,虽然CMOS微缩将继续下去,明显提升的参数却只有密度,而成本、功耗和性能增益均低于期待。

「异质整合是唯一能够让摩尔定律在未来数十年持续进展的解决方案。」Bottoms说:「系统级的功率要求、延迟、成本和性能,主要是由互连而不是晶体管来决定。异质整合可在SiP中实现系统级整合,其中所有的主动功能都尽可能密集封装。互连将透过光子技术尽可能将光子移动至接近晶体管。」

Bottoms列举异质整合的许多好处,包括在同一制程节点大幅提升性能、以光学布线取代电子布线以降低功耗,以及逐次为具成本效率的组件整合单项功能,逐渐改善成本。

Bottoms声称,系统级的异质整合能够让功能密度提高1,000倍以上,并使每功能的功耗降低相似的数量。「最初,其中一些会带来更高的成本。」他说:「但是,从长远来看,在未来15年内,每功能的成本将降低10,000倍,而且设计周期更短,成本更低。」

迈向新旅程

但是,异质整合所宣称的优势至今仍然是不切实际的幻想。目前,HIR委员会仍致力于完成该技术蓝图的初稿。

基本上,在实现每功能成本的巨大效益之前,HIR委员会希望该技术蓝图能为产业提供一个共同的「专用语」,作为定义技术目标和挑战的起点。在电子领域已经有许多关于异质整合的例子——也许最值得注意的是在Apple Watch 2中发现的第二代SiP——SI 2中包含超过42个芯片。但是,诸如2.1D、2DO和2DS等术语的定义在整个产业中并没有统一的说法。

E. Jan Vardaman
E. Jan Vardaman

Vardaman说:「我们正试图提出一些常用的术语,像是2.5D和3D等术语,如果不具有描述性,人们也不理解其含义,就无济于事。」

委员会希望透过一种共同语言,推动产业开始动起来。毕竟,如果异质整合是为了实现Bottoms和其他人所期望的提高产能等目标,那么接下来还有很多工作要做。

「近期最大的单一突破将是将光子整合于SiP产品,并且有效地将这些系统与光讯号连接到其他各种系统。」Bottom说:「这需要长期的共同设计、仿真、高度平行制造、SiP和互连标准,以及确保可靠性和安全性的发展。」

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹网站EETimes,参考链接:Mapping the Future of ElectronicsSusan Hong编译)

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Dylan McGrath
EE Times美国版执行编辑。Dylan McGrath是EE Times的执行编辑。 Dylan在电子和半导体行业拥有20多年的报道经验,专注于消费电子、晶圆代工、EDA、可编程逻辑、存储器和其他专业领域。
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