推进半导体技术发展的五大趋势

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。

作者 | 海怪

来源 | 脑极体（ID：unity007）

意法半导体、英飞凌、恩智浦三家半导体企业先后从其母公司独立或重组之后，直到今天，一直是撑起欧洲半导体产业面子的“三巨头”。

之所以被称为“三巨头”，是因为自1987年以来，三家几乎从未跌出全球半导体企业20强，虽然排名有调换，但都没掉队。当然也再没有新兴的欧洲半导体企业进入这个头部榜单。

如今，在全球半导体市场中，这三巨头主要选择了工业和 汽车 等B端芯片市场，而避开了竞争激烈的移动终端及电脑等消费级芯片市场。

这就让芯片产业之外的人很少有机会听到三巨头的名声，也自然很少了解这三巨头在全球芯片市场所扮演的角色，以及三家当下的竞争格局和未来可能的发展前景。

那么，三巨头之间有哪些纠葛和关联？各自有哪些优势？顺着这些问题我们接着讨论下去。

三巨头的并购“排位赛”

由于三巨头将市场都定位在B端芯片市场，三家各自的技术和产品自然有重叠，因此不可避免会出现激烈的竞争。而在近几年三巨头的发展过程中，大规模并购其他半导体企业和技术公司，成为能够快速赶超对手的“常规”手段。

在2018年，曾传出“英飞凌试图收购意法半导体”的消息，最后可能因为法国政府的阻挠而告吹。甚至早在2007年，还有“意法半导体要收购英飞凌”的传闻。可见三巨头相互之间觊觎对方已久。

而三巨头的关系中，英飞凌和恩智浦的竞争最为激烈，双方都在 汽车 半导体领域深耕多年，且排名接近。2015年，恩智浦以118亿美元的价格，收购了美国的飞思卡尔半导体（Freescale Semiconductor），成为当年的天价收购案。完成此次收购后，恩智浦成功进入全球半导体厂商前十的行列，成为全球最大的车用半导体制造商，并且成为车用半导体解决方案与通用微型控制器（MCU）的市场龙头。

经此一战，英飞凌虽然在 汽车 半导体市场略占下风，但也没有停止并购扩张的脚步。为巩固其在功率半导体的领先地位，英飞凌在2015年率先以30亿美元现金并购美国国际整流器公司；又在去年4月，宣布以100亿美元的价格完成对美国赛普拉斯半导体公司的收购。

赛普拉斯半导体的产品，包括微控制器、连接组件、软件系统以及高性能存储器等，与英飞凌当先的功率半导体、 汽车 微控制器、传感器以及安全解决方案，形成了高度的优势互补，双方将在ADAS/AD、物联网和5G移动基础设施等高增长应用领域，提供更先进的解决方案。

简单来说，英飞凌的目的仍然是要加强 汽车 半导体产品的实力，试图超越恩智浦的 汽车 半导体业务。此外，英飞凌在MCU、电源管理和传感器芯片方面超过或接近意法半导体。

去年几乎同时，恩智浦又以17.6亿美元收购美国美满电子（Marvell）的无线连接业务，主要产品线是Marvell的Wi-Fi和蓝牙等连接产品。通过这一收购，恩智浦可以更好补强其在工业和 汽车 领域的无线通信实力。

相比之下，过去几年意法半导体在并购市场的动作较少，但也并非没有。2016年8月，意法半导体宣布收购奥地利微电子公司(AMS)的NFC和RFID reader的所有资产，获得相关的所有专利、技术、产品以及业务，以强化其在安全微控制器解决方案的实力，在移动设备、穿戴式、金融、身份认证、工业化、自动化以及物联网等领域的发展提供技术支持。

在2019年的TOP15半导体市场排名中，来自欧洲的三家企业只能排在12-14位。恩智浦收购飞思卡尔的红利已经消失。而英飞凌收购赛普拉斯之后，两家营收加起来，会使得英飞凌大幅提升排名进到前十名当中。

从半导体产品形态来看，英飞凌、意法半导体和恩智浦，都是模拟芯片或模数混合芯片企业。从近几年的产业趋势来看，模拟芯片产业的集中度不断提高，而且模拟芯片企业的并购重组主要发生在美国和欧洲之间。从恩智浦和英飞凌收购的案例中，我们可以看到其对模拟和模数混合芯片厂商的并购，而且标的几乎全部来自美国。

一方面说明美国模拟芯片整体的数量和实力都很强，一方面也能看出全球模拟芯片企业发展进入一个相对稳定发展的阶段，如果想要打破平衡，取得快速发展，并购重组和强强联合就成为一个直接有效的手段。

不过值得注意的是，美国和欧洲直接模拟芯片企业的这种“内部消化”，正在进一步拉大欧美和亚洲之间在模拟芯片产业上的优势差距。

三巨头的守旧与拓新

为什么三巨头想要突破增长瓶颈，就必须依靠巨额收购来实现呢？

这实际上要跟模拟芯片产业的特点有关。与数字芯片要求快速更新迭代（摩尔定律）不同，模拟芯片产品使用周期较长，价格相对较低，其使用时间通常在10年以上，产品价格也较低。寻求高可靠性与低失真低功耗，核心在于电路设计，模拟芯片设计工艺特别依赖人工经验积累、研发周期长。

一旦某家企业在某类模拟芯片上建立其研发优势，那么其他竞争对手就很难在短时间内模仿或者超过，同时也因为下游客户对模拟芯片超高稳定性要求，一旦某些厂商建立其产品优势，其他竞争者也难以撼动其供应市场。所以，模拟芯片的产品与行业特点导致模拟芯片厂商存在寡头竞争特点。

德州仪器、亚德诺、意法半导体、英飞凌、恩智浦都是长期稳居全球TOP10的模拟芯片巨头，并且近几年，集中度还在进一步上升。近日，亚德诺高价完成美信的收购，甚至于有机会挑战第一名德州仪器的位置，而英飞凌对赛普拉斯的收购，也能让其排名大幅上升。

从产品线来看，三巨头都是老牌的IDM制造商，都拥有非常齐全的产品线，并且更加注重产品线工艺的稳步改进。

当然，恩智浦也想过拓展其他业务。2007年，恩智浦曾收购SiliconLabs蜂窝通信业务，发力移动业务市场，以及数字电视、机顶盒等家庭应用半导体市场，但短暂的出圈尝试不够成功。

因此，2007年起恩智浦很快将无线电话SoC业务、无线业务和家庭业务部门予以出售或剥离，并重新集中到飞利浦时代就确立的优势领域—— 汽车 电子和安全识别业务。2009年，恩智浦开始主要发力HPMS（高性能混合信号）产品，到2019年，包括 汽车 电子、安全识别相关业务的HPMS部门的营收占比超过了95%，产品线大幅度集中。

另外，恩智浦一直在大力推广以UWB、NFC等为代表的射频芯片业务。去年收购Marvell的无线连接业务正是致力于这一方向的表现。

英飞凌更重视其王牌业务板块——功率半导体产品。2016年，英飞凌尝试收购从美国Cree手中收购其Wolfspeed Power &RF部门（不过被美国CFIUS否决），其目的也是为了集中资源，加强其功率半导体业务。英飞凌拥有 汽车 电子、工业功率控制、电源管理及多元化市场、智能卡与安全等四大事业部。

（意法半导体2017Q2~2018Q2三大业务线营收及营业利润率）

相对于英飞凌和恩智浦，意法半导体在传感器业务上更加突出，特别是其MEMS技术，竞争力很强，也正是依托该优势技术，使得该公司在消费类电子、 汽车 ，以及工业传感器应用方面都有较强的竞争力。另外，意外半导体在 汽车 和分立器件、模拟器件以及微控制器和数字IC产品都有相当比例的市场表现。

早在十年以前，欧洲半导体产业就做出了自己的选择，那就是不在移动终端及PC市场寻求突破，而是专注于车用半导体和工业半导体两个细分市场。这一选择既有延续传统优势的考虑，又有对电动 汽车 及物联网这些新兴市场趋势的判断。

欧洲国家本身有良好的 汽车 工业和制造业基础，而欧洲半导体三巨头又在车用和工业半导体领域深耕多年，具备完整的设计、制造和封测的IDM体系，使得竞争对手短期内难以超越，这也是三巨头能够“守旧”的底气。

随着PC市场和移动终端市场红利期的结束，紧随5G网络普及而来的正是万物互联的物联网时代，智能电动 汽车 、无人驾驶、车联网、物联网等全新红利市场的到来，让欧洲半导体产业迎来新一轮增长周期。这是三巨头能够“拓新”的机遇。

从“守旧”中“拓新”，正是欧洲半导体产业能够继续赢得未来市场的不二法门。

三巨头的“中国红利”

由于欧洲半导体产业一直以来，无论是排名还是营收，其相对于美国和亚洲厂商来说，波动都非常小，但是未来又有一个稳定的增长预期。因此即便是三巨头如此大的体量，也成为美国半导体巨头试图并购的目标。

（虚线为2016年高通收购恩智浦流产后去除的390亿美元）

2016年，美国高通尝试以380亿美元收购恩智浦，成为当年金额最高的收购计划。当时恩智浦表示出浓厚的兴趣，但大幅提高了报价至440亿美元。高通同意了这一价格，并且收购案先后获得了美国、欧盟、韩国、日本、俄罗斯等全球八个主要监管部门同意。但在中国监管部门的反垄断审核期内，高通在其收购期内宣布放弃这些收购计划，并为此向恩智浦支付了20亿美元的“分手费”。

高通大力收购恩智浦的原因不难理解，那就是在5G发展可能受阻的情况下，获得恩智浦在 汽车 、物联网、网络融合、安全系统等领域的半导体技术优势，从而实现业务的互补和企业规模的飞跃。

不过，这场收购案中，有一个关键环节就是中国的反垄断审查。而事实上，无论恩智浦还是高通，中国都是最大的销售市场。假如两家强行完成并购，在未来仍有可能面临着我国的反垄断调查、限制甚至是处罚。

同样，对于恩智浦、英飞凌和意法半导体来说，中国既是三家最主要的销售市场，同时也是三巨头耕耘多年的新红利市场。

比如，恩智浦的众多业务早已在中国扎根。2019年汇顶 科技 以1.65亿美元收购NXP的音频应用解决方案业务（VAS），VAS可广泛应用智能手机、智能穿戴、IoT等领域。更早之前的2015年，建广资产与恩智浦宣布成立合资公司瑞能半导体，随后建广资产又以18亿美元巨资收购恩智浦的RF Power部门，成为中国资本首次对具有全球领先地位的国际资产、团队、技术专利和研发能力进行的并购。

2017年，由中资收购恩智浦标准产品业务而组建的安世半导体，已经在半导体细分市场上，取得二极管和晶体管排名第一， ESD保护器件排名第二，小信号MOSFET排名第二，逻辑器件仅次于德州仪器， 汽车 功率MOSFET仅次于英飞凌的名次。

意法半导体也早已在中国耕耘多年，特别是其STM32系列MCU，在中国有巨大的市场影响力。而英飞凌在与1998年已入华的赛普拉斯的整合之后，将获得更大的中国市场，并且英飞凌本身的功率器件在中国的销售也有巨大的增长空间。

在当下华为遭受美国在半导体方面的阻击之时，华为与英飞凌、意法半导体的合作，对于双方来说，都显得非常重要。

在我们完整地回顾完欧洲半导体产业的前世今生之后，如果用一个字来形容，那就是“稳”。

从欧洲半导体产业初兴之时，在各国政府主导下，几乎所有半导体产业都聚集在各国原本的工业巨头之下，享受产业政策的呵护。即使在世纪之交，半导体产业从体量臃肿的母公司独立出来，也仍然只诞生出三家身世优渥的半导体巨头。

而三巨头在发展过程中，其实又一次经历了从臃肿到精简，不断剥离非核心业务的过程。而此后的并购也主要集中在三家重点发展的产业方向，或者优势互补的产业方向上面。

这一切既源于欧洲大陆的传统工业基础优势的延续，又源于欧美亚洲在半导体产业格局上面的复杂博弈。欧洲半导体产业在利用自身传统产业优势的同时，也其实限制了突破传统桎梏的机会。不会像日韩、台湾地区和中国这样，利用人口红利和后发优势，最早从零开始，建立其各自的半导体特色优势。

这也是《圣经》里说的“当上帝关了这扇门，一定会为你打开另一扇门“的现实意义吧。下一篇，我们继续欧洲半导体的回顾，探寻从荷兰飞利浦诞生的一个制造业的奇迹——荷兰光刻机公司ASML。

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