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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
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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。
 
+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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