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。

1、自上周以来，半导体行业迎来“地震”，甚至出现了砍单潮，您认为这背后的原因是什么？ 历史 上的半导体行情高点领先砍单传闻半年，当砍单传闻出来，半导体行情是否是见底反d了？

目前海外经济复苏不明朗，政治局势不稳定， 国内疫情导致经济出现明显下行 ，消费者对自身收入稳定预期不明确导致不敢消费， 因此以手机为代表的的消费电子需求不振导致出现半导体景气下滑砍单行为出现 。总体半导体行情目前出现了分化局面，消费半导体大部分从去年8月见顶以来已调整接近一年，待去库存周期消化完后半导体见底概率比较大，目前还处在去库存阶段。

2、半导体并非是我国的强势产业，甚是在一些领域遇到了“卡脖子”的难题，而且短期内很多技术很难突破，您怎么看到半导体设备国产替代的进程？

成熟制程在刻蚀机、清洗机等领域已经 实现了国产替代 ，但部分高精尖的环节比如光刻机领域还是任重而道远。在先进制程如14nm及以下我们还在研发攻克阶段，目前都在晶圆厂认证和研发阶段，未看到有明显的订单。

3、芯片和医药其实都有共同点，就是细分领域很多， 科技 的产业链也很长，您比较看到哪些细分领域？未来芯片市场是否会出现分化？

设计环节看好 汽车 芯片如igbt，mcu等，设备材料环节国产替代的刚性需求较为明确，且渗透率相对设计环节不高， 未来增长空间较为确定 。未来芯片市场存在一定分化， 汽车 芯片、设备材料需求相对较好，消费类芯片库存和价格压力相对较大。

4、7月份开始中报业绩的预期将成为市场重要变量，您认为上半年 科技 企业的盈利水平如何？

Mcu igbt和设备材料环节的半导体公司业绩表现较好，和疫情影响较大的部分toB，toG的计算机公司，他们的一个 盈利压力相对来说是比较大的 ，并且一些消费电子由于整体今年的经济情况不是特别明朗，所以偏消费类的电子公司，相对来说盈利压力会比较大。

5、下半年，随着经济的复苏，您认为半导体板块下游的需求主要会集中在哪些领域？下半年半导体板块的机会如何？

经济复苏之后一方面 消费电子景气度会有所回升 ，叠加近期消费类芯片一直在去库存， 经济复苏后消费类芯片存在反转的可能性， 另一方面工控为代表的的mcu等会出现需求的回暖。下半年半导体行业我们认为继续保持结构分化，只要经济未来在不断增长，半导体行业细分投资机会还是有的。

6、近期国外某公司也是展出了人型机器人，您认为人型机器人的推出会对我们现有的生产模式带来哪些影响，利好哪些产业链？

我们认为中国人口成本红利下降， 实现工厂的无人化生产、智能化生产的趋势是明显的 ，也是未来重要的产业级别投资机会。一方面对目前国内的减速机、工业机器人、机器视觉等领域有利好刺激，另一方面对于工厂无人化、工业软件、智能制造相关的计算机公司也有望受益。

7、光伏也属于 科技 范畴，目前光伏板块价格是否已经透支了未来的预期，硅料、设备、电池片、组件等在未来是否会发生分化，您最看好那个板块？

部分公司的确存在一定程度的透支，光伏是个需要靠成本下降来推动渗透率提升的行业，部分环节 同质化相对比较严重 。未来更看好新技术的公司，如hjt技术储备相关的公司。

8、近期一些 科技 公司也是推出了新的VRAR设备，您认为VR、AR目前已经发展到了哪个阶段？未来的景气度如何？

产业已经到了快要爆发的阶段。我们非常看好vrar相关场景的应用，无论是消费场景还是工业场景。我们认为未来两年内从VR，MR到AR创新点是比较多的，并且很多 科技 巨头都在逐步切入这个行业，形成了产业趋势。 因此我们认为行业景气度是逐步向好的。

9、能否给直播间的朋友简要的展望一下下半年的投资机遇。

科技 领域我们看好三个方向， 第一是ARVR为代表的的新消费电子产业链，第二是 汽车 电子 ，未来 汽车 电动化向智能化迁移，他会带来很多新的应用，新的增量 汽车 零组件，这对相关公司的收入利润拉动效应比较明显。 第三看好智能制造包括机器人、工业软件、机器视觉等方向。

本资料所载观点为当时观点，仅供参考，不构成任何投资建议，投资人自行承担任何投资行为的风险与后果。财通资管可发表与其不同的观点或判断。

投资有风险，选择需谨慎。

半导体分立器件制造行业主要上市公司：目前国内半导体分立器件制造行业的上市公司主要有华润微(688396)、士兰微(600460)、扬杰科技(300373)、华微电子(600360)、新洁能(605111)、苏州固锝(002079)、银河微电(688689)、立昂微(605358)、捷捷微电(300623)、台基股份(300046)等。

本文核心数据：功率半导体分立器件产量、产值、市场结构

1、功率分立器件产量和产值持续上涨

功率半导体分立器件指额定电流不低于1A，或额定功率不低于1W的半导体分立器件。2015-2020年，中国功率半导体分立器件产量和产值均呈现持续上涨的趋势。2020年，中国功率半导体分立器件产量为4885亿只，较2019年同比增长8%。2020年，中国功率半导体分立器件产值达到165.6亿元，较2019年同比增长3%。

2、MOSFET产品优势凸显、需求量大

功率半导体分立器件可以进一步划分为功率二极管、功率晶体管和功率晶闸管三大类，其中BIT、GTR、MOSFET和IGBT均属于功率晶体管的范畴，SCR、GTO和IGCT则属于功率晶闸管的范围内。功率晶体管中，MOSFET和IGBT属于全控型分立器件，MOSFET根据应用特性的不同，还包括平面型功率MOSFET、沟槽型功率MOSFET、超结功率MOSFET和屏蔽栅功率MOSFET等多种类型。

MOSFET在分立功率半导体器件当中排名首位，2019年占市场规模的36.3%，其次为二极管、其他三极管(包括IGBT)及晶闸管，市场份额分别为32.2%、26.0%及5.5%。

MOSFET的优势在于开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、所需驱动功率小且驱动电路简单、工作频率高以及不存在二次击穿问题等方面而功率二极管具有结构和原理简单、工作可靠的优势。基于产品自身的特点和优势，MOSFET和二极管在功率分立器件市场中占据近70%的市场规模。在MOSFET下游应用的快速发展基础下，按MOSFET销售额划分的市场规模已由2015年的37亿美元增至2019年的53亿美元，复合年增长率约9.2%。

注：市场结构数据根据2019年市场规模数据计算所得。

3、功率分立器件市场规模将继续增长

展望未来，依据全球需求的普遍上升，加上中国制造分立器件如MOSFET、二极管及三极管的庞大产能，中国功率半导体分立器件市场规模预期将会持续增长。预计到2026年，中国功率半导体分立器件产量将超过16000亿只，产值将超过500亿元。

以上数据参考前瞻产业研究院《中国半导体分立器件制造行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》

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