仍看好摩爾定律「經濟」!台積前研發大將林本堅:主戰場已非微縮晶片
數位時代數位時代 發表於 2023年5月12日 仍看好摩爾定律「經濟」!台積前研發大將林本堅:主戰場已非微縮晶片 | T客邦 https://bit.ly/3qf2iBk
仍看好摩爾定律「經濟」!台積前研發大將林本堅:主戰場已非微縮晶片
台積電去年創下史上最高營收,一舉超車三星成為全球半導體龍頭。面對今年上半年市場消化庫存、海外設廠成本飆高、先進製程需求減緩和人才供應短缺,台積電還保有36年來的高速成長動能嗎?
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延伸閱讀:終結莫爾定律的可能不是物理學,而是經濟學:晶片越來越貴,建廠成本遠超百億美元
「現在叫Moore’s Law of Economy(經濟的摩爾定律),不是Moore’s Law of Scaling(尺寸的摩爾定律),前者可以一直發展下去。」台積電研發處前副總、現任清華大學半導體研究學院院長林本堅,在接受《數位時代》專訪時,針對摩爾定律提出觀點,指出將來的戰場已不在尺寸,而是效能。
林本堅是台積電壯大過程中的重要功臣之一,曾帶領團隊研發出浸潤式微影技術,突破半導體在65奈米的微縮障礙,幫助台積電成為業界領先者。該技術後來也成為全球半導體業者的發展路徑,贏得晶片微縮史上重要的一役。
隨著物理極限逼近,關於晶片能否持續微縮,以及微縮後是否仍具意義也掀起大量討論,林本堅則以 「Moore’s Law of Economy」 回應。
▲ 來源:蔡仁譯攝影林本堅是台積電壯大過程中的重要功臣之一,曾帶領團隊研發出浸潤式微影技術。
如汽車講究性能!有買氣就有下一代
過去,由於不同世代的製程,能在相同電壓下驅動更多電晶體,得以繳出更好性能成績。不過,林本堅指出, 從10奈米以下開始的製程節點,包含3 / 5 / 7奈米等,已不是在指實際晶片面積大小,而是能否做到該尺寸所應發揮的效能。
林本堅比喻:「就像我們買汽車,以前2,000cc的汽車真的就是那麼大;現在不同,你買2,000cc指的是這輛車能發揮同等級的性能。」這位身經百戰的微縮大將指出,如今晶片即使面積只縮小一些,若表現(performance)能增加1倍,也許快上50%,再稍微便宜一點,對客戶來說仍然是賺到,「只要user(使用者)願意買,那你的下一代又到了。」
摩爾定律的重點已不在於尺寸,而是晶片表現能否更強、更快,也就是林本堅口中的「Moore’s Law of Economy」。台積電董事長劉德音曾在公開場合中指出,若要兼顧淨零碳排和高算力表現,先進製程和3D IC先進封裝將是2大關鍵。
林本堅表示,「從這個觀點來看,摩爾定律的延續還不會停止。」他認為,性能改進的過程能不斷延伸,人類也會不斷做出新的東西,「你聽到的2奈米、1.4奈米,就是Moore’s Law of Economy。」
曾經有台積電的研發主管到清大半導體研究學院進行分享, 指出台積電內部目前看到的半導體 roadmap(路徑圖)至少還有十年 ,「當然不是十年後台積電就會關門,即使不微縮,台積電還是很有價值,因為半導體的需求愈來愈多。」
那麼,晶片的微縮是否已走到終點呢?,林本堅認為:「沒有停,但要繼續微縮也非常難,還會很貴。」他表示,台積電這十年將耗費龐大的人力、財力全力發展,「那我們就是先幫他們看看方向,讓台積電邊走邊描繪,繼續下一個30年。」
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矽的末日到了?究竟是什麼新型材料能夠取代矽?
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矽的末日到了?究竟是什麼新型材料能夠取代矽?
晶片,又稱微電路(microcircuit)、微晶片(microchip)、積體電路(integrated circuit, IC),是指內含積體電路的矽片,是手機和電腦等電子設備的一部分,負責處理資訊。人們常常把現代電子科技的進步與矽基晶片的進步等同起來。摩爾定律也越來越為人所熟知。
摩爾定律是由英特爾(Intel)創始人之一高登‧摩爾(Gordon Moore)提出來的。其內容為:當價格不變時,積體電路上可容納的電晶體的數目,約每隔18-24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。換言之,每一美元所能買到的電腦性能,將每隔18-24個月增加一倍以上。這一定律揭示了資訊技術進步的速度。
2018年11月16日,芝加哥大學實驗室的碳化矽晶片。電力電子領域正在發生變化,因為工程師們不再使用矽晶片,而是使用碳化矽等新型材料,這種材料可以更快、更有效地處理電力。(Lyndon French/The New York Times)
▲ 2018年11月16日,芝加哥大學實驗室的碳化矽晶片。電力電子領域正在發生變化,因為工程師們不再使用矽晶片,而是使用碳化矽等新型材料,這種材料可以更快、更有效地處理電力。(Lyndon French/The New York Times)
電子產品在現代生活中還扮演著一個角色,那就是引導電子產品的電力。電力電子(power electronics)領域正在迅速地發生變化,因為工程師們不再使用矽晶片,而是使用碳化矽等新型材料,這種材料可以更快、更有效地處理電力。一些新穎的後矽設備(post-silicon devices)已經投入使用,隨著我們的經濟從化石燃料轉向電力,更好的電力電子產品在未來將變得更加重要。在矽供應鏈嚴重扭曲的時候,這些新材料卻蓬勃發展。
2017 年,特斯拉迎來了歷史上的關鍵時刻,一波新材料從實驗室迸發出來。該公司已經發布了兩款成功的豪華車型,但為了成為一家主要的汽車製造商,公司把未來押在了製造一款更便宜、面向大眾的汽車上。
2017年8月8日,位於加州山景城的特斯拉超級充電站。 (Jason Henry/The New York Times)
▲ 2017年8月8日,位於加州山景城的特斯拉超級充電站。 (Jason Henry/The New York Times)
當特斯拉發布 Model 3 時,其在競爭中擁有一個秘密的技術優勢:一種名為碳化矽(SiC)的材料。電動汽車的關鍵部件之一是牽引逆變器(traction inverters),它從電池中提取電力,將其轉換成不同的形式,並輸送給驅動車輪的馬達。為了讓汽車有足夠的動力,牽引逆變器必須輸出數百千瓦的電力。
之前的牽引逆變器是基於矽製成的,但 Model 3 的牽引逆變器是由碳化矽製成的。碳化矽是一種包含矽和碳的化合物。特斯拉所用的碳化矽晶片是由歐洲意法半導體公司(STMicroelectronics)製造的。該公司稱,這種晶片可以將汽車行駛里程增加 10%,同時顯著節省汽車空間和重量,這在汽車設計中是非常寶貴的優勢。「Model 3 的空氣阻力係數和跑車一樣低,」名古屋大學(Nagoya University)負責電動汽車零組件拆卸的工程師山本正芳(Masayoshi Yamamoto)告訴日經亞洲(Nikkei Asia),「縮小的逆變器使其流線型設計成為可能。」
Model 3 大獲成功,這在一定程度上要歸功於其開創性的電力電子產品,並證明了電動汽車可以大規模推廣。同時,這也讓特斯拉成為世界上最有價值的公司之一。
「特斯拉做出了這一了不起的舉動,」法國高科技研究和諮詢公司 Yole Développement 的分析師克雷爾‧特洛阿德克(Claire Troadec)說,他指的是該公司改用碳化矽,「他們在一年半的時間裡所取得的成就真是令人驚歎。」
隨著特斯拉的快速崛起,其他汽車製造商也在積極採取行動,讓自己的車實現電氣化,在很多地方,這是政府的要求。許多公司還計畫著,不僅在牽引逆變器中使用碳化矽,也在其他電子零件中使用碳化矽,如 DC/DC 轉換器。碳化矽的成本比矽高得多,但許多製造商得出的結論是,碳化矽帶來的好處遠遠彌補了更高價格帶來的劣勢。
今年 4 月,半導體製造商 Wolfspeed 在紐約州北部投資 10 億美元開設了一家碳化矽「晶圓廠」,也就是製造廠。這家總部位於北卡羅萊納州的公司與通用汽車(General Motors)等其他買家達成了供貨協定。通用汽車副總裁希爾潘‧阿敏(Shilpan Amin)說,電動汽車的客戶「需要更大的續航里程,而我們將碳化矽視為設計電力電子產品的重要材料。」
紐約州州長凱西‧霍楚(Kathy Hochul)在開幕儀式上對 Wolfspeed 工廠大加讚賞。「有一個很遠的地方叫矽谷,大家都聽過吧?矽谷有點被高估了,」她說,「我想成為第一個歡迎大家來到碳化矽谷的人,因為這就是未來。」
拋開本土因素不提,在可預見的未來,矽將繼續主導價值 5000 億美元的半導體產業,包括處理器和儲存晶片市場。
在每年銷售額約為 200 億美元的電力電子領域,碳化矽正在取得重大進展。據 Yole Développement 預測,到 2027 年,汽車碳化矽的市場規模將從目前的 10 億多美元增加到 50 億美元。
意法半導體高管愛德華多‧梅利(Edoardo Merli)說:「如果沒有碳化矽,我們就不會有如此繁榮的電動汽車市場。」
矽和碳化矽在電子領域都很有用,因為它們是半導體,既可以像金屬一樣是導電體,又可以像大多數塑膠一樣是絕緣體。這種能力使半導體成為電晶體的關鍵材料,而電晶體是現代電子器件的基本組成部分。
碳化矽與矽的不同之處在於,它有一個很寬的帶隙,這意味著碳化矽需要更多的能量才能在兩種狀態之間切換。寬頻隙(WBG)半導體在電力電子領域具有優勢,因為它們可以更有效地傳輸更多的電力。
碳化矽是 WBG 的「老前輩」,作為電晶體材料已經被開發了幾十年。在此期間,工程師們開始使用更新型的 WBG 材料,如氮化鎵(GaN)。在 20 世紀 80 年代,研究人員使用氮化鎵製造了世界上第一個明亮的藍色 LED。藍光由高能光子組成,氮化鎵具有很寬的帶隙,是第一種能夠產生具有足夠能量的光子的半導體。2014 年,三名科學家因這項發明獲得了諾貝爾物理學獎,而這項發明在電視螢幕和燈泡等設備中無處不在。
最近,研究人員開始使用氮化鎵來改進電力電子設備。在過去的幾年中,這種材料在為手機和電腦充電的電源供應器方面取得了商業成果。與使用矽電晶體的傳統電源供應器相比,這些電源供應器更小、更輕、充電更快、效率更高。
加拿大 GaN Systems 公司的首席執行長吉姆‧威瑟姆(Jim Witham)說:「電腦傳統充電器的效率是 90%,而氮化鎵能讓效率提高到 98%。」這家公司為蘋果去年秋天發布的氮化鎵筆電充電器提供電晶體。
Yole Développement 估計,到 2027 年,氮化鎵市場將從今年的 2 億美元增長到 20 億美元。
寬頻隙材料也在其他領域得到了應用。資料中心是出了名的費電,因為它有運算量很大的大型設備。Compuware 是一家為資料中心提供高端電源的供應商,該公司表示,與傳統設備相比,其基於氮化鎵的電源可以減少約 25% 的電力浪費,並減少 20% 的空間佔用,使客戶可以在同一個機架上運行更多的伺服器。該公司還表示,其氮化鎵電源正在世界各地大公司營運的資料中心中使用。
工程師們正在研究使用寬頻隙材料,以更好地利用可再生能源。太陽能電池和風力渦輪機依靠逆變器向家庭或電網供電,許多公司寄希望於氮化鎵比矽做得更好。Enphase 是一家為太陽能裝置提供逆變器的供應商,目前正在測試氮化鎵逆變器,以確保其能夠在惡劣的屋頂天氣條件下使用幾十年。在一項測試中,Enphase 將逆變器放入水下的高壓鍋中,將高壓鍋放入一個密封的容器中,在 21 天的時間裡讓溫度在華氏 185 度到零下 40 度之間波動。如果氮化鎵器件能經受住挑戰,Enphase 聯合創始人拉古‧貝魯爾(Raghu Belur)便計畫快速轉向這種新材料。「行業絕對是朝著這個方向發展的,」他說。
在去年的一次投資者會議上,Enphase 的一位高級工程師給出了一個大膽的預測,他說:「矽的末日到了。」
生產寬頻隙零件的公司基本上避開了導致矽供應鏈緊張的「晶片危機」。在疫情顛覆全球貿易之前,碳化矽和氮化鎵的產量迅速增長,對這兩種材料感興趣的公司與生產商簽訂了供應協定,進展順利。這場危機實際上幫助了寬頻隙半導體的一些製造商:對當前矽危機感到失望的晶片買家已經簽署了長期協議,以避免未來其他材料出現類似的問題。
在公司升級到碳化矽和氮化鎵的同時,研究人員也在開發新的寬頻隙材料,以進一步改善電力電子設備。2012 年,日本國家資訊通信技術研究所(National Institute of Information and Communications Technology)的研究員東垣正孝(Masataka Higashiwaki)宣布了一種很有前景的電晶體。它由氧化鎵製成,這種材料的位元速率度明顯高於碳化矽和氮化鎵。東垣正孝說,由氧化鎵製成的組件比由矽、碳化矽和氮化鎵製成的零件「損耗更低,進而獲得更高的效率」。科學家們在開發這種材料方面取得了快速進展。東垣正孝預計,在未來十年,氧化鎵將開始出現在電動汽車牽引逆變器等產品中。
但創新就是創新,已經有更好的東西在地平線上閃閃發光了。「鑽石是終極的超寬頻隙材料,」特洛阿德克說,雖然要想把這種異常珍貴的寶石變成異常珍貴的半導體,還需要相當長的時間。矽的末日到了?究竟是什麼新型材料能夠取代矽? | T客邦 https://bit.ly/3alLyjY
科學園區 跟著摩爾定律走
By 張語羚, www.chinatimes.com查看原始檔八月 13日, 2017
早先傳出晶圓龍頭台積電3奈米新廠將出走美國,對此科技部長陳良基表示,科學園區應依循摩爾定律(Moore's law)走,讓廠商不只看到現在,還要放眼未來10年的需求,科技部把未來10年帶動國內發展願景納入考量,如此科學園區規劃的速度感一定會出來。
對於台積3奈米新廠留台,他持審慎樂觀態度。陳良基認為,台積電3奈米新廠最終落腳何處?由他們決定,但科技部的精神是推動基礎工作,且據了解台積電明年上半才會決定設廠地點,但還是以台灣優先。陳良基指出,科技部的工作是為企業布建環境,讓深耕國內的高科技產業發展順利,這是科技部的工作原則,以他目前與相關產業接觸的經驗,還是相當審慎樂觀。
陳良基說,目前全台各個科學園區持續整備中,科技部有這個責任,目前有不少廠商在台灣投資落腳,換言之台灣還是廠商的最大機會,應該善用眼前的優勢,將來廠商要進一步發展的時候還是可以展翅高飛,他會負責把科學園區場地弄好。
「要讓廠商不是只看到現在,還要看到未來10年的需求。」陳良基以摩爾定律形容目前科學園區的發展,他希望國內未來十年的發展願景,可以被廠商納入選址條件。
所謂摩爾定律是由英特爾(Intel)創始人之一高登.摩爾(Gordon Moore)所提出,意即積體電路上可容納的電晶體數目,每隔兩年便會增加1倍,後來的英特爾執行長大衛.豪斯(David Hauss)又將該時程縮短為18個月。對照陳良基所說,也就是科學園區將在穩定布建工作中有速度感的持續成長擴大。
此外,科技部也爭取到前瞻4年20億經費,打造「創客自建機器人基地」,從中科、南科出發,打造智慧機器人創新基地的Maker Space空間,鄰近科學園區再加上國高中、大專院校等,預估1年可帶動4,000人次以上使用,並可成立50家新創公司,產出30組以上的關鍵技術及產品。
陳良基強調,北部的資源較為豐富,因此經常可以自行經營新創基地,科技部最終沒有選址在北部,是希望給中、南部年輕人一些機會,並沒有地點太偏僻的問題,年輕人騎著機車一下就可到了。
台積電(2330-TW)(TSM-US)董事長張忠謀表示,半導體業遵循的摩爾定律經過數十年的發展將死,「苟延殘喘」個5、6年就不適用,但物聯網等應用需要半導體支持,因此將延續產業發展與帶來新機會。
張忠謀說,半導體業過往遵循的摩爾定律經過數十年的發展,差不多「要死了」,估計就算還可以苟延殘喘個5、6年之後就不適用。但他反問,難道接下來半導體業就沒有事情做了嗎?
他認為,半導體業不會因此完蛋,這是因為物聯網等相關應用仍需要使用大量晶片,需要半導體支持,且將延續半導體產業發展與帶來新機會是下一個「Big Thing」。
他也這麼說,過去半導體每年發展僅成長約3至5%,但因智慧型手機、平板電腦需求帶動使高通、聯發科和台積電繳出雙位數、甚至接近20%成長的成績單,就是掌握了商機,而半導體處在這生態系的基層,不管物聯網是誰成功,都會需要半導體支持。
他也說,Google、蘋果、亞馬遜、思科及中國的阿里巴巴、騰訊及華為等,是已經跟上下一個「Big Thing」趨勢潮流的業者,估計未來5到10年,將成為這個新產業的「紅人」
台積電董事長張忠謀:物聯網是未來的美麗新世界
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數位時代網站|撰文者:劉建宏發表日期:2014-04-07
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