半導體未來技術演進的趨勢解析

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科技產業資訊室 (iKnow) - 劉佩真發表於 2024年1月31日

圖、半導體未來技術演進的趨勢解析

隨著未來半導體市場應用趨勢，將朝向人工智慧、物聯網、智慧汽車、高速運算等應用，晶片對於IC製造業的要求將聚焦於多工、高速執行與存取、低功耗等項目；然而在先進製程持續推進之下，製程微縮所面臨的瓶頸逐步浮現，特別是複雜的圖形造成曝光次數增加，光罩成本也隨之倍增，讓摩爾定律發展速度也所減緩。畢竟先進製程再微縮的製程節點問題，即是造成摩爾定律前進的困難處，包括穿隧效應造成的嚴重漏電與功耗問題，也就是在採用現有片材料的基礎上，電晶體線寬隨著製程的微縮，電晶體中的電子就容易產生穿隧效應，使半導體元件失靈，為晶片的製造帶來巨大的挑戰。因而走入極限的先進製程微縮節點問題使IC製造技術朝向Moore’s Law、More than Moore’s Law、Beyond Moore’s Law等三個做法，其中Chiplet為More than Moore’s Law的方式之一。

光+電整合新時代—矽光子技術的發展將是Beyond Moore’s Law此作法中重要技術的突破點，然而目前仍在發展初期階段
一般來說，矽光子技術是泛指將許多分立的電子元件與光學元件，利用成熟的矽晶圓與半導體製程，做成微型化的晶片，取代傳統光收發模組，主要應用在資料中心做短距離傳輸資料，而有鑑於2023年AI所帶來的風潮，資料中心的傳輸效率與速度更顯重要，況且摩爾定律也即將走到極限，因而市場亦多期望光+電整合新時代—矽光子技術的發展將是Beyond Moore’s Law此作法中重要技術的突破點，進而使矽光子技術成為下一波產業的關鍵，國內外半導體廠包括Intel、Nvidia、Qualcomm、Cisco/Luxtera/Lightwire/Acacia、Juniper/Aurrion、台積電、日月光投控、矽格、台星科、訊芯-KY等均積極切入矽光子技術進行布局；整體而言，未來如果能夠把處理光訊號的「光波導元件」整合到矽晶片上，讓矽晶片同時處理電訊號的運算與光訊號的傳輸，則矽光子技術將可改善晶片能源效率的問題，相關的族群包括磊晶、交換器、光收發模組、測式介面與封裝等，而目前共同封裝光學元件(CPO)為矽光子中的關鍵，也就是先以共同封裝光學元件的技術方式實現，慢慢才會達成完全矽光子的終極目標，顯然現階段矽光子尚在發展初期階段，技術尚未成熟。

小晶片(Chiplet)主要是將大晶片化整為零，藉由類摩爾定律的異質整合來達成，顯示整合性晶片成為重要趨勢之一
從系統設計來看，各種硬體功能可以分割成小晶片，各種小晶片(Chiplet)可透過不同的IC技術節點製造，甚至使用非矽材料因應低成本和效能需求，各種小晶片可進一步整合滿足系統功能。表面上此種半導體技術前景可以繞開晶片製程微縮的極限，正好是中國突破美國晶片技術禁運的捷徑，不過由於小晶片(Chiplet)技術與相關的設計門檻仍存有難度，系統整合之間也有瓶頸待突破，特別是Chiplet生態系呈現碎片化、中國熟悉Chiplet設計的人才養成短期不易、Chiplet間的互連架構難度高、晶片堆疊後棘手的散熱問題需改善，因此也並非一夕之間中國就可進行彎道超車而擺脫美國的封鎖。(1088字；圖1)

作者資訊：
劉佩真台經院產經資料庫總監、APIAA理事

參考資料：
蔣尚義：小晶片整合技術為後摩爾時代主要趨勢之一。中央社，2023/07/21。
中國彎道超車! 藉購併獲取「小晶片」專利技術補足先進製程落後缺陷。Newtalk，2023/07/14。
矽光子熬出頭台積、日月光、輝達等大廠投入 AI冷靜一下共同封裝概念是下一棒。今週刊，2023/11/01。
SEMICON Taiwan矽光子國際論壇仰賴產業攜手合作擘畫未來發展藍圖。電子時報，2023/11/02。
日月光攜台積強攻矽光子全球最大生產基地就在台灣。聯合新聞網，2023/11/04。

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