35003/06
雖然多數(shù)人對半導(dǎo)體并不了解，但是它在我們身邊無處不在，例如口袋里的智能手機(jī)、桌面上的臺式/筆記本電腦、各類家用電器和各類交通工具，以及支持互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作的數(shù)據(jù)中心，都包含著這項讓一切成為可能的微小技術(shù)，它的每次突破都為我們的工作和生活方式帶來重大變革。視頻加載中...
什么是半導(dǎo)體半導(dǎo)體，字面含義指的是具有特殊電學(xué)性質(zhì)的材料。早在1833年，被譽(yù)為“電學(xué)之父”的英國物理學(xué)家法拉第就發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度上升而降低，此后的五十年里，光生伏特效應(yīng)、整流效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)先后被歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，為后續(xù)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但直到1947年，美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓三名科學(xué)家研制出世界上第一個晶體管后，人類的科技才逐步走進(jìn)半導(dǎo)體時代。
在相當(dāng)長一段時期，電子真空管統(tǒng)治著整個電子行業(yè)，例如世界第一臺計算機(jī)ENIAC，使用了17468個電子管，重量高達(dá)30噸，功率達(dá)150kw，更有占據(jù)三個房間的龐大體積。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)又進(jìn)入了晶體管時代和大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路時代，速度不斷提升的同時，體積和耗電量也大為減小。如今，我們的計算機(jī)已經(jīng)可以裝進(jìn)背包，智能手機(jī)更是可以塞進(jìn)口袋隨身攜帶。
晶體管——半導(dǎo)體的基礎(chǔ)半導(dǎo)體是現(xiàn)代計算機(jī)的基礎(chǔ)。從底層原理來看，它是通過晶體管開關(guān)或放大信號來實現(xiàn)邏輯控制，將二進(jìn)制系統(tǒng)中的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為電信號。如果要實現(xiàn)更加復(fù)雜的運(yùn)算，就需要更多的晶體管的互聯(lián)協(xié)同工作。這些由大量晶體管和周邊元件組成的，實現(xiàn)某項功能的電路集合，就是集成電路。因此，半導(dǎo)體給人們最直觀的展現(xiàn)形式，就是各類的芯片，例如電腦中的CPU、內(nèi)存條上的DRAM和固態(tài)硬盤上的NAND等。晶體管是半導(dǎo)體芯片中的最小單元，因此一塊芯片的晶體管數(shù)量，也被認(rèn)為是芯片性能的最直觀展現(xiàn)，半導(dǎo)體行業(yè)著名的“摩爾定律”更揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。例如早年6MHz頻率80286PC處理器，僅包含13400個晶體管，而如今，三星半導(dǎo)體出品的Exynos手機(jī)處理器晶體管數(shù)量已超過百億，主頻更經(jīng)達(dá)到了2GHz以上。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，讓計算機(jī)（包括智能手機(jī)）性能不斷提升的同時，體積也不斷減小，成我們大多數(shù)不可或缺的工具。制程工藝演進(jìn)-半導(dǎo)體的究極進(jìn)化一顆芯片的誕生，要經(jīng)過藍(lán)圖設(shè)計、原料提純和鑄錠、晶圓加工、光刻、蝕刻和切割等工序，簡單來說就是在小半導(dǎo)體晶片上，制造出較大數(shù)量規(guī)模的晶體管。但晶片的面積有限，增加晶體管的數(shù)量，就需要減小晶體管柵極的寬度，也就是我們所說芯片的制程工藝，通常為nm級別。因此，半導(dǎo)體行業(yè)一直致力于提升晶片的工藝制程，但這極其考驗廠商的技術(shù)實力。
早在1983年，三星半導(dǎo)體就自主成功開發(fā)出64KDRAM的工程、檢查、組裝等半導(dǎo)體全線工程技術(shù)，成為世界上第三個VLSI半導(dǎo)體（超大規(guī)模集成電路）生產(chǎn)商。如今，三星半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)位列全球前沿，不僅DRAM和NAND技術(shù)業(yè)界領(lǐng)先，集成電路制造實力也十分強(qiáng)大，并有著非常清晰明確的工藝演進(jìn)路線。
在2015年，三星開發(fā)了14nmFinFET制造工藝，自此三星半導(dǎo)體工藝進(jìn)入FinFET時代，晶片上獨(dú)特的鯊魚鰭結(jié)構(gòu)能夠控制漏電率，為后續(xù)制程演進(jìn)提供支持。到了2016年三星FinFET制造工藝升級到了10nm，相比于14nmFinFET性能提升幅度達(dá)27％、功耗降幅達(dá)40％，并進(jìn)一步縮小了芯片的面積，讓智能手機(jī)在實現(xiàn)更強(qiáng)性能的同時，也擁有更長的電池續(xù)航時間。到了2018年，三星又將FinFET制造工藝提升至7nm，最大的特點(diǎn)就是采用EUV（極紫外光刻），運(yùn)用波長為13.5nm的紫外線，取代之前的193nmArF（氟化氬）浸沒式光刻，從而使得晶體管柵極愈加精細(xì)，大幅提升了晶體管的密度，使得芯片性能再次提升20%-30%，而功耗卻降低30%-50%。
寫在最后近年來，無論是通用計算芯片，還是手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)以及車載芯片市場都呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，甚至出現(xiàn)“一芯難求”的情況。面對持續(xù)增長的需求，半導(dǎo)體制造工藝也一直在尋求突破，在2022年6月底，三星實現(xiàn)了全球首家3nm工藝制程的量產(chǎn)，采用全新的GAAFET架構(gòu)實現(xiàn)比FinFET架構(gòu)晶體管更高的性能提升，和上代的5nm制程工藝相比提升25%的效能并降低45%的功耗，芯片面積也減少了16%。
可以說，半導(dǎo)體的歷史就是制造體積更小、速度更快、耗電更少的晶體管的歷史，而更先進(jìn)的工藝制程或?qū)⒀永m(xù)“摩爾定律”的神話。
什么是半導(dǎo)體半導(dǎo)體，字面含義指的是具有特殊電學(xué)性質(zhì)的材料。早在1833年，被譽(yù)為“電學(xué)之父”的英國物理學(xué)家法拉第就發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度上升而降低，此后的五十年里，光生伏特效應(yīng)、整流效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)先后被歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，為后續(xù)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但直到1947年，美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓三名科學(xué)家研制出世界上第一個晶體管后，人類的科技才逐步走進(jìn)半導(dǎo)體時代。在相當(dāng)長一段時期，電子真空管統(tǒng)治著整個電子行業(yè)，例如世界第一臺計算機(jī)ENIAC，使用了17468個電子管，重量高達(dá)30噸，功率達(dá)150kw，更有占據(jù)三個房間的龐大體積。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)又進(jìn)入了晶體管時代和大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路時代，速度不斷提升的同時，體積和耗電量也大為減小。如今，我們的計算機(jī)已經(jīng)可以裝進(jìn)背包，智能手機(jī)更是可以塞進(jìn)口袋隨身攜帶。晶體管——半導(dǎo)體的基礎(chǔ)半導(dǎo)體是現(xiàn)代計算機(jī)的基礎(chǔ)。從底層原理來看，它是通過晶體管開關(guān)或放大信號來實現(xiàn)邏輯控制，將二進(jìn)制系統(tǒng)中的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為電信號。如果要實現(xiàn)更加復(fù)雜的運(yùn)算，就需要更多的晶體管的互聯(lián)協(xié)同工作。這些由大量晶體管和周邊元件組成的，實現(xiàn)某項功能的電路集合，就是集成電路。因此，半導(dǎo)體給人們最直觀的展現(xiàn)形式，就是各類的芯片，例如電腦中的CPU、內(nèi)存條上的DRAM和固態(tài)硬盤上的NAND等。晶體管是半導(dǎo)體芯片中的最小單元，因此一塊芯片的晶體管數(shù)量，也被認(rèn)為是芯片性能的最直觀展現(xiàn)，半導(dǎo)體行業(yè)著名的“摩爾定律”更揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。例如早年6MHz頻率80286PC處理器，僅包含13400個晶體管，而如今，三星半導(dǎo)體出品的Exynos手機(jī)處理器晶體管數(shù)量已超過百億，主頻更經(jīng)達(dá)到了2GHz以上。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，讓計算機(jī)（包括智能手機(jī)）性能不斷提升的同時，體積也不斷減小，成我們大多數(shù)不可或缺的工具。制程工藝演進(jìn)-半導(dǎo)體的究極進(jìn)化一顆芯片的誕生，要經(jīng)過藍(lán)圖設(shè)計、原料提純和鑄錠、晶圓加工、光刻、蝕刻和切割等工序，簡單來說就是在小半導(dǎo)體晶片上，制造出較大數(shù)量規(guī)模的晶體管。但晶片的面積有限，增加晶體管的數(shù)量，就需要減小晶體管柵極的寬度，也就是我們所說芯片的制程工藝，通常為nm級別。因此，半導(dǎo)體行業(yè)一直致力于提升晶片的工藝制程，但這極其考驗廠商的技術(shù)實力。早在1983年，三星半導(dǎo)體就自主成功開發(fā)出64KDRAM的工程、檢查、組裝等半導(dǎo)體全線工程技術(shù)，成為世界上第三個VLSI半導(dǎo)體（超大規(guī)模集成電路）生產(chǎn)商。如今，三星半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)位列全球前沿，不僅DRAM和NAND技術(shù)業(yè)界領(lǐng)先，集成電路制造實力也十分強(qiáng)大，并有著非常清晰明確的工藝演進(jìn)路線。在2015年，三星開發(fā)了14nmFinFET制造工藝，自此三星半導(dǎo)體工藝進(jìn)入FinFET時代，晶片上獨(dú)特的鯊魚鰭結(jié)構(gòu)能夠控制漏電率，為后續(xù)制程演進(jìn)提供支持。到了2016年三星FinFET制造工藝升級到了10nm，相比于14nmFinFET性能提升幅度達(dá)27％、功耗降幅達(dá)40％，并進(jìn)一步縮小了芯片的面積，讓智能手機(jī)在實現(xiàn)更強(qiáng)性能的同時，也擁有更長的電池續(xù)航時間。到了2018年，三星又將FinFET制造工藝提升至7nm，最大的特點(diǎn)就是采用EUV（極紫外光刻），運(yùn)用波長為13.5nm的紫外線，取代之前的193nmArF（氟化氬）浸沒式光刻，從而使得晶體管柵極愈加精細(xì)，大幅提升了晶體管的密度，使得芯片性能再次提升20%-30%，而功耗卻降低30%-50%。寫在最后近年來，無論是通用計算芯片，還是手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)以及車載芯片市場都呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，甚至出現(xiàn)“一芯難求”的情況。面對持續(xù)增長的需求，半導(dǎo)體制造工藝也一直在尋求突破，在2022年6月底，三星實現(xiàn)了全球首家3nm工藝制程的量產(chǎn)，采用全新的GAAFET架構(gòu)實現(xiàn)比FinFET架構(gòu)晶體管更高的性能提升，和上代的5nm制程工藝相比提升25%的效能并降低45%的功耗，芯片面積也減少了16%。可以說，半導(dǎo)體的歷史就是制造體積更小、速度更快、耗電更少的晶體管的歷史，而更先進(jìn)的工藝制程或?qū)⒀永m(xù)“摩爾定律”的神話。
