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从应用到晶体管,台积电对全球半导体产业的展望

2021/12/23
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台积电(中国)总经理罗镇球

12月22日,在无锡举办的“中国集成电路设计业2021年会暨无锡集成电路产业创新发展高峰论坛(ICCAD 2021)”上,台积电(中国)总经理罗镇球带来主题演讲《全球版导体展望》,分享了对全球半导体产业的深度、前瞻性的思考,以下为演讲全文:

半导体不只是用在各位的生活中,事实上半导体也开始解决很多科学的难题,以现在的疫情来讲,中国以及全世界的人民在过去几千年,经过了很多疫情,包含天麻,包括祸乱,包括瘟疫、鼠疫,古代的人只能,一个是跑,躲的远远的,一个是把东西烧掉。现在随着半导体的发展,我们已经可以在很快的时间里克服疫情,甚至回避到疫情,各位如果记得很清楚,前一阵的埃博拉病毒,从病毒发现,到生产出疫苗,总共花了5年时间,2019年疫苗才出现,可是这次新冠肺炎,我们很欣喜地看到,病毒出现之后,一年内就有很多疫苗,包括中国的灭活疫苗出现,在这个事情上半导体技术发挥了不可磨灭的贡献,我们运用高速计算、大数据分析方式,让科学家在很快的时间里做出有效的疫苗,这只是其中一个例子。

各位可能还不知道,现在半导体用的最大的、最有效的,过去要把氨基酸卷折成蛋白质需要实验好几个月,甚至好几年的时间,可是现在进入大数据分析、高速计算以及人工智能的协助,在系统上,在计算上,可以在几天内完成过去科学家好几年才能做成的事情。这个方式对未来我们在新药的研发上会有很快速,而且很有效的贡献,这样的技术已经出现了,而且在普遍的应用当中。
   

过去一年多的时间里,各位可以很欣喜地发现到数字化的转型,我们在短短一年时间里,可能完成原来计划十年才能完成的数字化转型,各位现在在疫情期间,都是在远程办公,在家里娱乐,孩子在家里上课,你也在家里做各式各样的采购或者是消费。这样的事情,原来预计人类要花十年的时间才能完成,可是因为疫情,我们被迫,也是很开心地马上拥抱了数字化世界。而且我想各位在各个媒体上也看到了,中国人民拥抱数字化的改变以及拥抱新技术,是最热情,而且是最有效的,依据现在我们的统计,明年全球GDP成长里面,会有超过2/3是来自于数字化转型的GDP增幅贡献,我们可以看到这个世界未来数字化转型会急剧加速,而且会让各位的生活越来越方便,越来越美好。
   

在疫情期间,半导体技术发展还是没有减缓,依旧依照着原来的步调持续前进,各位可能听说过摩尔定律在减速或者是在逐渐消失,可是事实上,台积电用我们的工艺证明了摩尔定律持续在往前推进,台积电的7纳米是在2018年推出的,5纳米是在2020年推出的,我们在2022年会如期推出3纳米的工艺,而且我们2纳米的工艺也在顺利研发。各位知道,看半导体是否进入下一个时代,主要看三个,一个是速度性能,二是功耗,三是面积。看最上面的数字,我们从7纳米到5纳米,从5纳米到3纳米,单位面积里面放下晶体管数和过去一样,成长1.7到1.8倍,性能部分也和过去几个时代一样,速度会提高超过10%。功耗的部分也和过去一样,同样性能、速度情况下,功耗减低20%,疫情期间,我们持续推进工艺发展。
   

因为技术工艺对世界的影响越来越中,今年台积电的7纳米工艺也得到了国际电基电子协会的“年度最佳创新奖”,我们做出来的工艺不是单纯的工艺,它会转换成芯片,它会转换成产品,转换成对人类有用的东西。我们在2020年之前,也就是在2019年的12月31号之前,在全世界已经批量生产150种产品,超过10亿颗芯片,所以这是完全可以批量化生产,而且造福人类技术的突破。
   

讲到未来,我们讲半导体技术,有几个核大的着重点:一是性能能不能提升,速度是不是能变化;二是功耗能不能降低,更省电,不要消耗太多的能源;三是面积能不能变小;四是能不能提供一个完整的平台,我等一下会介绍什么是完整的平台,完整的平台才能做出一个完整而高效的平台;五是产品质量要非常稳定,做出来的产品要非常的安全。
   

第一,性能部分。现在手机性能跟过去不可同日而语,平板也是一样,电脑也是一样,家庭娱乐的电视也是一样,它的质量和速度都不是过去能比拟的,包含网络产品,而且现在各位也可以看到有很多AR、VR产品问世,过去AR、VR产品后面要拉根电线,很难看,而且没有用,现在已经因为功耗的减低,做出了穿戴式产品,包括很喜欢用无人机拍照片,这也是HPC发展的很大的标志。
   

第二,卓越的节能技术。要降低功耗,把它变成随时可以穿戴的产品,台积电也积极发展低漏电工艺、高效射频工艺、嵌入式记忆体,再加上我们也致力于发展第三代半导体,让所有的能源转化效率不断提升,这样的技术我们统称叫ULtro-LOW Power Platform,我们希望在性能提高的同时,不会提高耗电量。
   

第三,完整、全面的工艺平台。各位收集里面一定有一个主芯片,有一个射频芯片,有能源管理芯片,有摄象头芯片,只有这些芯片集合在一起,才能做出一个有用的产品,所以我们发展的工艺,不只是所谓的数字化,还同时发展类比信号工艺、低电压、射频、嵌入式记忆体、各式各样电源管理工艺,同时还要做跟人做界面的技术,包括光技术、影像技术,另外声学技术,要有声学感知方式,要有移动感知方式,所以各位在移动的时候,带着手机都可以知道东西南北在哪里,最后还要可以测心跳、血压,这些东西和计算结合在一起,才能让你知道对你的人生是有改善的,是有用的,是能让你快速和别人建立连接的。完整、全面的工艺平台,对我们非常重要,不仅是逻辑的工艺,摩尔定律只是谈28nm,谈16nm,谈7nm,不是这个样子的,现在最新的Electrjcal工艺只做到28,我觉得各个平台的工艺要齐头并进,才能做出有效而好用的产品。
   

最后,这是我们台积电最新刚推出的N5A工艺,汽车电子是全世界最讲究安全性、可靠性的一种工艺技术,它会用在辅助驾驶、智能座舱,或者是未来自动驾驶上,它的安全性非常重要,它要跟前面讲的缩放、省功耗有区别。我们在明年3月会推出5nm汽车电子工艺平台,这是接续我们在16nm、7nm之后的工艺,同样我们的工艺都会达到AEC-Q100、ISO26262、IATF16949的汽车工艺规格,台积电会一步一步把它做出来。
   

讲完应用之后,我再讲晶体管技术,晶体管技术往前推进有几个部分,一是晶体管结构改变,一个是做晶体管的材料,我们有二维原材料的特性,逐渐用在晶体管上,变薄了,电量控制的好,它可以做的越来越好,而且速度越来越快,我们会齐头并进。
   

另一个是3D封装,各位一直说摩尔定律是每两年,单位面积里面晶体管数翻一番,变成两倍,可是有一个技术,刚才戴伟民博士提到的台积电一直在做的3D封装技术,它可以让晶体管单位体积放的经营管舒成倍数增长。这是台积电已经做了很多年,而且已经大批量生产的技术,我们的技术大概做了超过十年,而且在很多的产品上大批量生产。各位如果在一些产品公司的发布会上,看到他拿出来的封装,很大一个,3D封装大概是832平方毫米,面积只要大于2公分,它的芯片拿出来,基本上就是用台积的2.5D封装或者3D封装技术做出来的,包括美国的公司,包括之前在公司的几个公司,都曾经拿出过大于2公分长×2公分长的封装。我们会持续看到更多的,新的,小的,高性能的产品,持续用3D封装的方式推出到市面上。
   

整个集成电路技术发展大概分成三个方向,第一个是晶圆制造晶体管结构部分,我们叫做晶体管的微缩。第二个是3D集成,我们把很多芯片堆集起来,做成一个立体式晶圆结构。第三个是软件硬件协同化设计,当你在定义一个产品的时候,你就让硬件跟软件的人一起思考这个问题,在程式化的时候切割成一个一个期块,就把整个芯片规格定义出来,将来做芯片的时候就知道我要做哪个,他要做哪个,做完之后,每一个芯片用不同的工艺,这样就可以由高效的使用3D封装技术实现软件。这是集成电路未来大的发展方向。
   

这是结果,已经出现在纸面上的结果,我们的Chiplet不断往前推,最新推出来的单颗已经超过500亿个晶体管,同时System Level,目前市面上推出来的已经超过3000亿个晶体管,这是我们目前已经做到了,未来还会持续推进。
   

这是一个很大的市场,呼吁刚才戴维民说的,各位很有幸处在半导体时代,我们可以一起为将来奋斗。
   

特别说一下,台积电持续投资,共创未来,过去一年我们大概投资100到200亿的钱在做资本扩充,我们从今年开始,大幅提升,所以在2021、2022、2023年我们会投资超过1000亿美金在扩产和资本投资上,同时重视永续经营,我们在2025年碳会达峰,到2030年碳排放会回到2020年的水准,这是超过世界的水平,到2050年实现净零排放。我们将为各位搭建一个最完整的平台,助力各位在半导体事业上蓬勃发展

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