产业链的上游是电子自动化设计(EDA)软件供应商和集成电路设计公司。EDA主要有三家Synopsys、Cadence和Mentor，公司在不同领域的专业知识，但业务也是交叉的，国内厂商有华达九天。设计公司有英特尔、高通、联发科技、博通等，国内设计公司有华为海斯、紫光占瑞和惠定科技等。
图1半导体产业链上游企业
产业链的中间环节是由许多以晶圆制造商为核心的企业组成的。知名的晶片制造商包括英特尔、三星、台积电、格罗芬德和中芯国际，它们需要从设备制造商那里购买设备。此外，亦有需要向其他原料制造商购买制造晶片所需的消耗品。所购设备主要包括光刻机、蚀刻设备和沉积设备；采购的原材料主要包括单晶硅、光刻胶、湿式电子化学品、特种气体等。芯片生产完成后，将交给封装测试制造商对芯片进行测试和封装。包装企业是具有代表性的月光、安全和国内长期动力技术，通福微动力和天水华天。
图二：产业链中游企业
下游企业是联系最广泛的公司，包括移动电话制造商苹果、三星、华为、特斯拉和比亚迪在汽车领域，联想和惠普在个人电脑领域。此外，还有物联网、医疗电子等应用。
图3：下游企业、芯片应用和具有代表性的公司
半导体行业设备的头等大事，芯片节电的速度取决于工艺，工艺取决于设备。
一、摩尔定律接近极限，集成电路技术成熟，产业成熟，成本和服务将决定成熟产业的核心竞争力。
迈克尔·波特指出，在产业成熟的过程中，成本和服务将成为产业的核心竞争力。
英特尔(Intel)联合创始人戈登·摩尔(GordonMoore)在1965年提出，当价格保持不变时，集成电路类的元件数量将每18至24个月翻一番，性能将翻一番。简单地说，在大约两年的时间里，消费者将能够以同样的价格购买性能是现在的两倍的芯片。在过去的40年里，集成电路工业的发展一直遵循摩尔定律，但它不可能永远持续下去。近年来，技术更新周期有所放缓。
图4摩尔定律预测了每个集成电路的晶体管数目。
可以观察到，台积电2011年生产28 nm、2015年生产16 nm、2018年量产7 nm、20 nm和12 nm 10 nm以及其他升级的过度生产工艺。先进的工艺更新周期已经从最初的18个月减缓到2年，现在已经放缓到3年左右，未来5 nm甚至3 nm的更新周期可能会更长。
直到2000年，在光刻市场上有三家供应商，即尼康、佳能和阿斯梅尔。目前，ASMAI家族是唯一留在20 nm的公司，另外两家由于研发和利润压力而放弃最新光刻技术的开发。其余的Asmae占光刻市场的80%。
图5：半导体工艺已慢慢接近物理极限
这些迹象表明，集成电路制造工艺的进步越来越困难，集成电路产业正在从成长性向成熟性转变。在成熟的产业过程中，成本和服务将成为产业的核心竞争力。
以成熟的传统汽车工业为例。2004年，该波导从南汽集团撤出。一年前，该公司获得了超过1亿元人民币的58股股份，以控制南汽集团无锡汽车车身有限公司。前后一年左右的对比如此之大，正是由于产业竞争策略的制定错误。不可否认，在2004年左右，中国的汽车工业仍然是一个积极的行业，而且这个行业已经以惊人的速度发展。我国庞大的人口和潜在的巨大需求一直是支撑着工业发展的巨大推动力，在一个快速增长的工业中。一个企业只需要伴随着工业的进步就行了，不需要太多的努力。这也许是《波导》进入汽车行业的原因，但随着汽车行业竞争的升温，无论是美国汽车巨头通用汽车和福特，还是德国大众和奔驰，以及日本的丰田和本田汽车，他们关注成本优势，同时也关注本土汽车企业，他们在中国市场上的竞争加剧，这减少了中国汽车行业巨大利润的泡沫。对于当时的汽车工业企业来说，汽车工业增长缓慢，客户多年来积累的知识和经验，以及更为成熟的技术，带来的结果是，竞争趋势变得更加注重成本和服务。这一发展改变了市场对企业在该行业取得成功的需求。
这与过去三四十年来集成电路的发展非常相似，芯片的性能主要取决于设计技术和制造技术。在过去的二十年里，芯片随着制造技术的进步而不断进步，而设计技术并没有得到很大的更新。PC芯片仍然是以Intel公司为主导的X86体系结构，而复杂计算机指令集的CISC迁移则是由ARM体系结构主导的。采用精简的计算机指令集(RISC)。制造技术依赖于制造设备的技术进步，现在设备的进步已经接近半导体的物理极限。据专家预测，半导体芯片制造工艺的物理极限为2~3 nm。摩尔定律似乎是十年来唯一可以再做的事情&现状；生存与现状；。
缓慢的增长、更多的知识客户和更先进的技术已经导致了竞争趋势变得更加以成本为导向和服务为导向。随着产品标准化、成本和技术成熟度的日益重视，产业转型往往出现明显的国际竞争。
在国际竞争中，国内企业的劣势在于起步较晚，但从后来的分析中我们可以看出，企业之间的差距正在逐年缩小。现在差距大约是2 - 3年。优点是（1）低。研发成本，制造成本和技术支持成本（2）所有研发人员和技术支持人员均在中国，可以提供更及时，更低成本的现场技术支持。 （3）研发人员更贴近国内市场，了解客户需求，并提供定制服务
1。成本优势：国内企业在研发成本和原材料成本方面具有绝对的竞争优势。
所有国际设备制造商都在中国设有办事处。他们主要负责各种生产线的设备销售和技术支持工作。它们不涉及研发和制造。众所周知，信息和通信技术行业的硕士学位毕业生每年在家领取20万至40万元人民币。在美国等发达国家，这一数字将增至80,000美元至100,000美元，是国内水平的两倍以上。设备巨头asml每年的营收占总收入的10%至15%。近年来，由于进程日益先进，这一数字有所增加。生产中原材料的成本占经营成本的50<垃圾>-60<垃圾>lt垃圾>想到未来在设备更新缓慢，我们在人为研发成本上的绝对成本优势，和原材料价格，当国内半导体设备会发光。
2。服务优势：国内企业可提供更完善、更方便的现场技术支持，增加客户粘性。
外资企业的高服务成本已成为国内企业的共识。在这方面，国内企业可以依靠本地优势，提供更及时、更低的售后服务费用，以改善下游客户对公司的粘度和满意度。今后，公司应在不断拓展市场的基础上，努力构建和完善大客户的服务体系。具体措施包括为特定重点客户量身定制服务方案，在国内集成电路产业集中的地区建立综合工艺和技术支持中心，以及人员和技术的快速反应。为客户提供更完善、更方便、更及时的增值服务等。
在行业竞争需要密集的本地化营销服务或密集的客户交易的市场中，全球公司将难以在综合的全球基础上与本地竞争者竞争。虽然全球公司在分散的单位中为客户提供服务，但在实施过程中，管理任务非常庞大，但本地公司对客户服务请求的响应能力更强。
3.市场优势：研发人员更贴近国内市场，了解客户需求，提供定制化服务。
先进的工艺不能由设备制造商单独完成，而是设备和制造商联合研发的结果。国内设备的研发人员在国内，国际制造商不能这样做。除了提供技术支持外，国际制造商的技术支持人员还需要将遇到的问题发送给公司的研发人员进行改进。优化设备.所以我们往往更贴近国内的客户，更了解国内生产线的客户需求。
二、新型合作竞争关系
值得注意的是，传统的企业竞争模型只提到了企业与五种力量之间的竞争，而没有考虑到企业与五种力量之间的合作。在某些环境中，这些企业既有竞争关系，也有合作关系。如果一种产品或服务能使另一种产品或服务更具吸引力，那么就可以称之为互补产品或服务，两个企业之间的关系已经从竞争转变为合作。如何区分两个企业是否形成了合作与竞争的关系？一般来说，如果顾客同时拥有两家公司的产品比同时拥有一家公司的产品获得更多的价值或更少的成本，那么这两家公司就是互补的。
成功的例子包括：汽车在上个世纪是一种昂贵的产品，而消费者想要购买汽车时却没有足够的现金。目前，银行信贷机构已成为企业公司的补充，后者向消费者提供贷款，并为他们购买汽车提供资金。但是汽车贷款并不容易获得，因此通用汽车公司在1919年创立了通用汽车公司，福特公司在1959年成立了福特银行，以使消费者更容易获得贷款。这样做的好处是显而易见的：方便的贷款是人们可以购买更多的汽车，而对汽车的需求的增长促进了福特和通用汽车的贷款业务。
即使处于互补竞争关系的两家公司技术落后，它们也会获得一定的优势。没有合作伙伴的人如果拥有技术优势，就不一定会成功。例如，索尼于1975年推出了Betamax格式录像机。它曾经是电视录制领域的主导者。在美国多久，日本JVC开发了VHS格式录像机。尽管Betamax在技术的某些方面比VHS更强大，但Betamax格式录像机可以租用的电影数量太少，最终丢失，市场份额占JVC的60％。
国产设备+中鑫国际华润设备与中国合作，为进一步赢得国际市场打下基础
amat通过与台积电、英特尔和其他晶圆工厂的合作取得了技术突破。国内企业可以与中芯国际紧密合作，共同促进国内设备的发展。例如，中芯国际和北方的中国创都是国内公司。要在国际市场上发挥更大的作用，就必须相互支持、相互帮助。北芳华可以为中心提供低成本的设备和更好的服务。反过来，中芯国际稳定的制造过程可以给Beifanghua带来产品验证支持和广告效果（高品质客户的身份也可能带来广告效果，使公司销售设备，这对半导体设备来说应该是昂贵的。因此，晶圆制造商倾向于选择那些在扩大生产线方面已经得到国际制造商验证的设备公司。
目前，一些设备制造商与中芯国际的合作并不局限于设备的验证阶段。为了加快半导体生产线的国产化和替代进程，上下游厂商开始在早期研发过程中进行合作。正是在中芯国际等晶圆厂的大力帮助下，国产设备才能在短期内实现多项技术突破，进入国内先进晶圆厂乃至国际制造商的供应链系统。加快设备国产化和更新换代进程。
三是以历史为镜，把握产业转移的大趋势，规划新的市场。
应用材料（AMAT）
回顾AMAT增长的历史，从1972年纳斯达克上市开始，收入为630万美元，市值仅为300万美元，而52年后，今天的收入为170亿美元，市值超过410亿。 AMAT在此过程中经历了四个主要阶段：启动期，增长期，并购调整期和研发领导期。其中，确定其生存，生存和大发展的时期是前两个时期。
（1）在最初阶段，从1967年到1979年，Amat的主要业务是向半导体制造商提供他们所需的原材料。然而，由于产品种类繁多，Amat一度濒临破产。1977年，新上任的首席执行官Morga进行了一系列激烈的改革，精简了生产线，关闭或出售了一些部门，并集中精力生产半导体设备。这些措施效果明显，企业在危机中幸免于难。
（2）增长时期：1979-1996年，1970年代，全球半导体工业开始向美国以外的市场转移，首先是日本，然后是韩国和台湾。1977年，Morga决定搭乘参加日本半导体设备展览会后返回的飞机进入日本市场。此后，分别于1985年和1989年在韩国和台湾设立了办事处。该公司过去20年的全球布局使其在1996年实现了41.15亿美元的收入。
泛林集团(Lrcx)也有前瞻性的眼光，全球新兴市场的布局。
大卫·K·林，一位工程师，成立于1980年，由英特尔的鲍勃·诺伊斯资助。第一台设备于1982年售出，该公司于1984年在纳斯达克首次公开募股(IPO)。目前，总市值接近300亿美元，2018年的收入为48亿美元。
它没有经历与代工半导体市场相同的竞争。在其创立的第一年，它吸引了80万美元的投资。在第三年，它有稳定的现金流。它诞生于20世纪80年代，正处于将半导体市场从美国转移到海外的阶段。除了LAM当时在半导体设备行业中具有很强的竞争力之外，其成功还归功于20世纪80年代日本半导体行业对设备的巨大需求。当时，除个人电脑外，还使用半导体产品，以及移动电话，立体声系统（功率放大器），汽车和电话。
事情并不总是顺利的。在80年代中后期，林正处于一个艰难的时期，尽管半导体设备的市场需求持续增长，但日本企业从技术引进、消化吸收等方面逐渐增强。日本从70年代末的零开始，到80年代中期已经占到全球设备销售额的50%。后来，美国半导体设备公司进行了业务重组等改革，提高了生产效率，并更加注重大容量设备的开发，更注重研究专利技术的发展。
当时，前瞻性的林氏管理层注意到新兴小市场的销售增长。从1980年代末到1990年代初，它开始了更广泛的全球布局。这一时期的重点是环太平洋和欧洲市场。海外收入占50%以上。日本住友金属工业有限公司。。。（smi）联合开发蚀刻机器，建立了一个完整的子公司：lam技术中心；1980年代中期，在台湾和韩国建立了客户支持中心；直到1990年代初，lam在中国、马来西亚和以色列也看到了增长的机会。并考虑建立研发中心。
值得借鉴的经验有：
1。战略遵循产业转移进行全球布局
巨人的成长离不开两种产业转移。上世纪七、八十年代，日本在工业DRAM产品的高可靠性和美国的技术支持下取得了飞速发展，占DRAM市场的近80%，占半导体市场的近50%。另一次是在上世纪八九十年代，韩国通过引进技术成为个人电脑DRAM的主要供应商，而台湾则在垂直分工领域的晶片合约制造和芯片封闭测试方面处于领先地位。
2.与新兴市场的当地企业和大学建立合作伙伴关系
Amat在日本、韩国、台湾、东南亚和欧洲建立了广泛的公司和机构，抢占市场第一。在大学方面，我们与新加坡科技局投资了多个研发实验室，并与亚利桑那州立大学联合开发了用于柔性显示器的薄膜晶体管技术。在企业方面，2001年，我们共同研究了使用黑钻石方案来突出0.1um晶体管，并推动了0.13um芯片的技术节点。2003年，ARM与台积电共同开发了90nm低功耗芯片设计技术，使总功耗降低了40%。
林书豪与清华大学合作设立了泛森林小组清华大学微电子论文奖，捐赠了实验室设备，并提供了就业机会。
iv。政府、财政支援及税务宽减，三管齐下
落后是要克服的，现在的理解是，在电子信息技术领域，落后受到技术封锁和国家安全的威胁。如果一个国家想被喉咙挡住，它就必须发展关键技术，而不是被其他国家控制。近年来，我国在应用领域取得了巨大的成就。20多年来，以BAT为代表的企业引领了科学技术的发展趋势，但在基础科学领域，我们还没有实现核心芯片技术的自我完善。包括设计和制造领域，而制造领域的成功取决于设备。
政策支持反映了该行业的重要性，国家必须以坚定的决心发展半导体产业
政府对半导体工业的政策支持正在增加。今年3月，在第十三届全国人民代表大会第一次会议上，李总理根据“02专项”、“国家集成电路产业发展促进计划”等重大政策，在讨论实体经济发展问题时，把集成电路产业放在实体经济第一位。在政府工作报告中。3月底，财政部发布了《关于IC厂商企业所得税政策的通知》，给予IC企业税收优惠，表明了政府对半导体产业发展的坚定态度。
图5：政府对半导体行业的支持政策
二期大型基金即将募集，全国产业基金总额突破万亿元。计划一期，大型基金募集资金1000亿元，实际募集资金1387亿元，实际投资超过1000亿元。此外，这只大型基金还投资了3600亿多家地方工业基金。总计5000亿元的半导体产业基金，以较高的资本投入，为半导体产业的发展提供了有力的支持。目前，第二阶段的大型基金正在设立，并将在年底前完成。预计将筹集1，500亿至2，000亿美元(一些外国媒体也透露，筹资额可能达到3，000亿美元)。按1：3的比例计算，二期大型基金还将举债4500亿至6000亿元地方产业基金，国家半导体产业基金总额突破万亿元。作为中国最有希望承担替代中国制造半导体设备任务的企业，微电子、上海微电子、北方华昌等企业必将充分受益于政府对该行业的支持红利。
财政部、国家税务总局、科技部联合在财政部网站上出台新政策，扣除研发费用，研发费用税前扣除比例由50%提高到75%。同时，将原科技企业的扣除范围扩大到所有企业。利润增幅最大的企业主要集中在机械、计算机、电子元器件等行业。事实上，在一些行业，特别是集成电路行业，每年的研发成本、研发开支甚至占营运收入的一半以上，而增加研发开支的税前扣减比例，无疑会释放减税的红利。
5.设备行业继续强劲增长，晶圆厂建设高峰期导致设备需求增加。
设备制造商位于半导体产业链上游，为生产线提供晶圆制造设备。2017年，全球半导体设备市场销售额达到492.4亿美元，年均增长率稳定在10%以上。从2016年到2020年，全球共建成62家晶圆厂。此外，中国正在建设和规划26家12英寸晶圆厂，占世界的42%。因此，近年来，我国工厂建设出现了小高峰，设备需求巨大，国际企业设备产量有限，这是扩大市场份额的好时机。
全球半导体市场销售额
2017年全球半导体设备市场销售额达到492.4亿美元。2016年至2020年，陆续建成62座晶圆工厂。设备销售年均增长率超过100亿。近年来对设备的需求将达到一个小高峰。
图六：全球半导体市场销售及其增长率
从国内实际市场看，从2018年到2020年，国产设备企业每年仍有500亿至70亿美元的潜在市场份额。
从国内市场来看，国内市场销售额从2013年开始持续增长，年增长率保持在20％以上，远远超过国际市场10％以上的增速。 2016年至2020年，中国将有26家晶圆厂，将建成并投入生产，占全球在建晶圆厂数量的42％，成为全球新晶圆厂最活跃的地区。另外，从国内市场的设备销售比例可以看出，这个数字正在缓慢而稳步上升。 2016年，中国半导体设备市场规模为64.6亿美元，2017年销售额为82.3亿美元。据SEMI称，2018年将达到113亿。在过去三年中，每年的增长率接近30％。
购买新晶圆厂设备的费用将占生产线的70%，其余为基础设施费用。从2016年到2018年，8至12个12英寸晶圆厂正在建设中。根据Semi对2018年100亿美元设备市场的预测，晶圆制造工艺占80%，光刻机占制造工艺的30%。剩余的市场是国内潜在的国产设备总市场，100-80%(1-30%)=56亿。据推测，从2018年到2020年，每年仍有50亿至70亿美元的潜在市场份额。
图七：半导体设备在国内市场的销售和增长情况
近几年国内装备技术进步与市场对装备的强劲需求
国内设备凭借深厚的技术积累填补了国内半导体设备领域的一些技术空白，产品已能够满足12英寸、90~28 nm工艺生产线的生产要求，部分设备批量进入中芯国际等国内主流集成电路生产线进行批量生产。展望未来2-3年，设备需求将迎来2019年90/65/55/40 nm工艺生产线设备采购高峰。而国内仓储企业将在2020年前后扩大生产设备采购高峰。
图8：国内建造/正在建造的晶圆生产线
过去几十年，全球半导体行业增长主要受台式机、笔记本电脑和无线通信产品等尖端电子设备的需求，以及基于云计算兴起的推动。这些增长将继续为高性能计算市场领域开发新应用程序。
首先，5G将让数据量呈指数级增长。我们需要越来越多的服务器来处理和存储这些数据。2020年Yole报告，这些服务器核心的高端CPU和GPU的复合年增长率有望达到29%。它们将支持大量的数据中心应用，比如超级计算和高性能计算服务。在云 游戏 和人工智能等新兴应用的推动下，GPU预计将实现更快增长。例如，2020年3月，互联网流量增长了近50%，法兰克福的商业互联网数据交换创下了数据吞吐量超过每秒9.1兆兆位的新世界纪录。
第二个主要驱动因素是移动SoC——智能手机芯片。这个细分市场增长虽然没有那么快, 但这些SoC在尺寸受限的芯片领域对更多功能的需求，将推动进一步技术创新。
除了逻辑、内存和3D互联的传统维度扩展之外，这些新兴应用程序将需要利用跨领域的创新。这需要在器件、块和SoC级别进行新模块、新材料和架构的改变，以实现在系统级别的效益。我们将这些创新归纳为半导体技术的五大发展趋势。
趋势一:摩尔定律还有用，将为半导体技术续命8到10年…
在接下来的8到10年里，CMOS晶体管的密度缩放将大致遵循摩尔定律。这将主要通过EUV模式和引入新器件架构来实现逻辑标准单元缩放。
在7nm技术节点上引入了极紫外(EUV)光刻，可在单个曝光步骤中对一些最关键的芯片结构进行了设计。在5nm技术节点之外(即关键线后端(BEOL)金属节距低于28-30nm时)，多模式EUV光刻将不可避免地增加了晶圆成本。最终，我们希望高数值孔径(High-NA) EUV光刻技术能够用于行业1nm节点的最关键层上。这种技术将推动这些层中的一些多图案化回到单图案化，从而提供成本、产量和周期时间的优势。
Imec对随机缺陷的研究对EUV光刻技术的发展具有重要意义。随机打印故障是指随机的、非重复的、孤立的缺陷，如微桥、局部断线、触点丢失或合并。改善随机缺陷可使用低剂量照射，从而提高吞吐量和成本。
为了加速高NA EUV的引入，我们正在安装Attolab，它可以在高NA EUV工具面世之前测试一些关键的高NA EUV材料(如掩膜吸收层和电阻)。目前Attolab已经成功地完成了第一阶段安装，预计在未来几个月将出现高NA EUV曝光。
除了EUV光刻技术的进步之外，如果没有前沿线端(FEOL)设备架构的创新，摩尔定律就无法延续。如今，FinFET是主流晶体管架构，最先进的节点在6T标准单元中有2个鳍。然而，将鳍片长度缩小到5T标准单元会导致鳍片数量减少，标准单元中每个设备只有一个鳍片，导致设备的单位面积性能急剧下降。这里，垂直堆叠纳米薄片晶体管被认为是下一代设备，可以更有效地利用设备占用空间。另一个关键的除垢助推器是埋地动力轨(BPR)。埋在芯片的FEOL而不是BEOL，这些BPR将释放互连资源路由。
将纳米片缩放到2nm一代将受到n-to-p空间约束的限制。Imec设想将Forksheet作为下一代设备。通过用电介质墙定义n- p空间，轨道高度可以进一步缩放。与传统的HVH设计相反，另一个有助于提高路由效率的标准单元架构发展是针对金属线路的垂直-水平-垂直(VHV)设计。最终通过互补场效应晶体管(CFET)将标准cell缩小到4T，之后充分利用cell层面上的第三维度，互补场效应晶体管通过将n-场效应晶体管与p-场效应晶体管折叠。
趋势2: 在固定功率下，逻辑性能的提高会慢下来
有了上述的创新，我们期望晶体管密度能遵循摩尔所规划的路径。但是在固定电源下，节点到节点的性能改进——被称Dennard缩放比例定律，Dennard缩放比例定律（Dennard scaling）表明，随着晶体管变得越来越小，它们的功率密度保持不变，因此功率的使用与面积成比例；电压和电流的规模与长度成比例。
世界各地的研究人员都在寻找方法来弥补这种减速，并进一步提高芯片性能。上述埋地电力轨道预计将提供一个性能提高在系统水平由于改进的电力分配。此外，imec还着眼于在纳米片和叉片装置中加入应力，以及提高中线的接触电阻(MOL)。
二维材料如二硫化钨(WS2)在通道中有望提高性能，因为它们比Si或SiGe具有更强的栅长伸缩能力。其中基于2d的设备架构包括多个堆叠的薄片非常有前景，每个薄片被一个栅极堆叠包围并从侧面接触。模拟表明，这些器件在1nm节点或更大节点上比纳米片的性能更好。为了进一步改善这些器件的驱动电流，我们着重改善通道生长质量，在这些新材料中加入掺杂剂和提高接触电阻。我们试图通过将物理特性(如生长质量)与电气特性相关联来加快这些设备的学习周期。
除了FEOL, 走线拥挤和BEOL RC延迟，这些已经成为性能改善的重要瓶颈。为了提高通径电阻，我们正在研究使用Ru或Mo的混合金属化。我们预计半镶嵌(semi-damascene)金属化模块可同时改善紧密距金属层的电阻和电容。半镶嵌(semi-damascene) 可通过直接模式和使用气隙作为介电在线路之间(控制电容增加)
允许我们增加宽高比的金属线(以降低电阻)。同时，我们筛选了各种替代导体，如二元合金，它作为‘good old’ Cu的替代品，以进一步降低线路电阻。
趋势3:3D技术使更多的异构集成成为可能
在工业领域，通过利用2.5D或3D连接的异构集成来构建系统。这些有助于解决内存问题，可在受形状因素限制的系统中添加功能，或提高大型芯片系统的产量。随着逻辑PPAC(性能-区域-成本)的放缓，SoC 的智能功能分区可以提供另一个缩放旋钮。一个典型的例子是高带宽内存栈(HBM)，它由堆叠的DRAM芯片组成，这些芯片通过短的interposer链路直接连接到处理器芯片，例如GPU或CPU。最典型的案例是Intel Lakefield CPU上的模对模堆叠， AMD 7nm Epyc CPU。在未来，我们希望看到更多这样的异构SOC，它是提高芯片性能的最佳桥梁。
在imec，我们通过利用我们在不同领域(如逻辑、内存、3D…)所进行的创新，在SoC级别带来了一些好处。为了将技术与系统级别性能联系起来，我们建立了一个名为S-EAT的框架(用于实现高级技术的系统基准测试)。这个框架可评估特定技术对系统级性能的影响。例如:我们能从缓存层次结构较低级别的片上内存的3D分区中获益吗?如果SRAM被磁存储器(MRAM)取代，在系统级会发生什么?
为了能够在缓存层次结构的这些更深层次上进行分区，我们需要一种高密度的晶片到晶片的堆叠技术。我们已经开发了700nm间距的晶圆-晶圆混合键合，相信在不久的将来，键合技术的进步将使500nm间距的键合成为可能。
通过3D集成技术实现异质集成。我们已经开发了一种基于sn的微突起互连方法，互连间距降低到7µm。这种高密度连接充分利用了透硅通孔技术的潜力，使>16x更高的三维互联密度在模具之间或模具与硅插接器之间成为可能。这样就大大降低了对HBM I/O接口的SoC区域需求(从6 mm2降至1 mm2)，并可能将HBM内存栈的互连长度缩短至多1 mm。使用混合铜键合也可以将模具直接与硅结合。我们正在开发3µm间距的模具到晶圆的混合键合，它具有高公差和放置精度。
由于SoC变得越来越异质化，一个芯片上的不同功能(逻辑、内存、I/O接口、模拟…)不需要来自单一的CMOS技术。对不同的子系统采用不同的工艺技术来优化设计成本和产量可能更有利。这种演变也可以满足更多芯片的多样化和定制化需求。
趋势4:NAND和DRAM被推到极限非易失性存储器正在兴起
内存芯片市场预测显示，2020年内存将与2019年持平——这一变化可能部分与COVID-19减缓有关。2021年后，这个市场有望再次开始增长。新兴非易失性存储器市场预计将以>50%的复合年增长率增长，主要受嵌入式磁随机存取存储器(MRAM)和独立相变存储器(PCM)的需求推动。
NAND存储将继续递增，在未来几年内可能不会出现颠覆性架构变化。当今最先进的NAND产品具有128层存储能力。由于晶片之间的结合，可能会产生更多的层，从而使3D扩展继续下去。Imec通过开发像钌这样的低电阻字线金属，研究备用存储介质堆，提高通道电流，并确定控制压力的方法来实现这一路线图。我们还专注于用更先进的FinFET器件取代NAND外围的平面逻辑晶体管。我们正在 探索 3D FeFET与新型纤锌矿材料，作为3D NAND替代高端存储应用。作为传统3D NAND的替代品，我们正在评估新型存储器的可行性。
对于DRAM，单元缩放速度减慢，EUV光刻可能需要改进图案。三星最近宣布EUV DRAM产品将用于10nm (1a)级。除了 探索 EUV光刻用于关键DRAM结构的模式，imec还为真正的3D DRAM解决方案提供了构建模块。
在嵌入式内存领域，我通过大量的努力来理解并最终拆除所谓的内存墙，CPU从DRAM或基于SRAM的缓存中访问数据的速度有多快?如何确保多个CPU核心访问共享缓存时的缓存一致性?限制速度的瓶颈是什么? 我们正在研究各种各样的磁随机存取存储器(MRAM)，包括自旋转移转矩(STT)-MRAM，自旋轨道转矩(SOT)-MRAM和电压控制磁各向异性(VCMA)-MRAM)，以潜在地取代一些传统的基于SRAM的L1、L2和L3缓存(图4)。每一种MRAM存储器都有其自身的优点和挑战，并可能通过提高速度、功耗和/或内存密度来帮助我们克服内存瓶颈。为了进一步提高密度，我们还在积极研究可与磁隧道结相结合的选择器，这些是MRAM的核心。
趋势5:边缘人工智能芯片行业崛起
边缘 AI预计在未来五年内将实现100%的增长。与基于云的人工智能不同，推理功能是嵌入在位于网络边缘的物联网端点(如手机和智能扬声器)上的。物联网设备与一个相对靠近边缘服务器进行无线通信。该服务器决定将哪些数据发送到云服务器(通常是时间敏感性较低的任务所需的数据，如重新培训)，以及在边缘服务器上处理哪些数据。
与基于云的AI(数据需要从端点到云服务器来回移动)相比，边缘 AI更容易解决隐私问题。它还提供了响应速度和减少云服务器工作负载的优点。想象一下，一辆需要基于人工智能做出决定的自动 汽车 。由于需要非常迅速地做出决策，系统不能等待数据传输到服务器并返回。考虑到通常由电池供电的物联网设备施加的功率限制，这些物联网设备中的推理引擎也需要非常节能。
今天，商业上可用的边缘 AI芯片，加上快速GPU或ASIC，可达到1-100 Tops/W运算效率。对于物联网的实现，将需要更高的效率。Imec的目标是证明推理效率在10.000个Tops /W。
通过研究模拟内存计算架构，我们正在开发一种不同的方法。这种方法打破了传统的冯·诺伊曼计算模式，基于从内存发送数据到CPU(或GPU)进行计算。使用模拟内存计算，节省了来回移动数据的大量能量。2019年，我们演示了基于SRAM的模拟内存计算单元(内置22nm FD-SOI技术)，实现了1000Tops/W的效率。为了进一步提高到10.000Tops/W，我们正在研究非易失性存储器，如SOT-MRAM, FeFET和基于IGZO（铟镓锌氧化物）的存储器。
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