芝能智芯出品
2024 年的国际电子设备会议（IEDM）再次展示了半导体行业的技术进步，尤其是 2nm CMOS 工艺、3D 堆叠技术及其在 AI 和高性能计算中的应用，预示着未来几年的重要趋势。
这些技术突破不仅推动了摩尔定律的延续，也促使封装、互连、晶体管和功率传输等领域发生了深刻的变革。
本文将深入分析半导体行业的创新进程，探讨当前驱动变化的核心技术要素，并展望未来半导体行业可能的发展方向。
Part 1
芯片行业发展的创新历程
半导体行业的创新历史可以看作是一个不断突破瓶颈、解决技术挑战的过程。
过去几十年中，半导体行业一直遵循摩尔定律，即晶体管密度每隔两年翻一番。这一规律不仅推动了半导体技术的演进，也加速了数字化、智能化的社会变革。
然而，随着技术节点的不断缩小，传统的硅基材料和光刻技术逐渐逼近物理极限。行业面临着前所未有的挑战，这使得创新变得愈发复杂且多样。
摩尔定律的终结论曾被广泛讨论，但许多企业，特别是英特尔，始终坚信该定律仍具备生命力，且通过多种新技术的融合，行业仍能保持进步。
英特尔的高管 Sanjay Natarajan 强调，虽然摩尔定律在传统晶体管方面的影响有所减弱，但通过更先进的设备技术、互连和封装技术，行业依然可以继续缩小尺寸、提高性能和降低功耗。
这种突破不仅表现在硅通道的改进，如高 NA EUV 技术、GAA (Gate-All-Around) 技术的推进，还表现在创新的封装技术和跨界合作上。
台积电通过超导 CMOS 技术提升了 AI 芯片的功率效率，显著改善了在高密度计算任务下的电力消耗。
除了传统的晶体管和光刻技术的进步，芯片设计和制造的全链条创新也正在驱动半导体行业的发展。随着芯片尺寸的不断缩小，新的互连技术成为解决芯片功率和密度问题的关键。
台积电推出的背面供电技术（SPR），能够有效提升芯片的密度和信号传输性能，为未来高性能计算（HPC）芯片的研发提供了新的方向。
超越摩尔定律的“3D 集成”技术也获得了极大的关注。在 IEDM 2024 上，IMECC 研究人员展示了 CFET（垂直堆叠互补场效应晶体管）技术，标志着半导体行业在“三维”空间的进化。该技术不仅在提升性能和减小面积方面表现出色，而且在制造复杂性和成本控制上展现了较强的竞争力。
CFET 技术的进展，不仅是半导体制造工艺的一次飞跃，也是探索下一代逻辑电路架构的重要尝试。
台积电在IEDM 2024大会上首次公开了其N2（2nm）工艺技术的详细信息，标志着半导体制造领域的一次重要飞跃。自28nm工艺以来，台积电历经六代工艺迭代，单位面积能效比提升了140倍以上，彰显了公司在半导体技术上的深厚积淀和创新实力。
相较于3nm工艺，N2工艺实现了晶体管密度增加15%，性能提升15%（在相同功耗下），以及功耗降低24-35%（在相同性能下）。这些改进得益于引入了GAA纳米片晶体管技术，使得通道宽度可调，优化了性能与能效之间的平衡，并增强了芯片设计的灵活性。
NanoFlex DTCO技术的应用也使开发更矮或更高的单元成为可能，以满足不同应用需求。第三代偶极子集成技术和扩展的电压阈值档为纳米片晶体管带来了显著的速度提升，分别达到70%和110%。
在低电压环境下，2nm纳米片晶体管相比传统FinFET结构提供了更好的能效和频率增益，待机功耗降低了大约75%。新的中段和后段工艺进一步减少了电阻，提高了整体能效。
存储方面，2nm工艺下的SRAM密度达到了每平方毫米约38Mb的新高，这将极大促进数据处理速度。简化后的第一层金属层制造过程不仅提高了生产效率，还降低了成本。
最后，针对高性能计算应用，台积电引入了超高性能的SHP-MiM电容，有助于实现更高的运行频率，满足高性能计算对处理速度的需求。
Part 2
半导体行业的未来展望
从 2024 年的技术进展来看，半导体行业将在多个维度迎来巨大的变革。首先，AI 计算和高性能计算（HPC）将持续推动半导体行业的发展。在数据量爆炸式增长的背景下，现有的计算架构和处理能力已经逐渐暴露出瓶颈。
如何在未来十年满足人工智能日益增长的算力需求，将成为业界的重大挑战。为了实现这一目标，半导体行业将着重在降低能耗、提升处理速度以及增强计算密度方面进行创新。
GAA 纳米片技术的进一步发展，将成为未来十年半导体技术创新的核心之一。
英特尔和台积电的技术展示表明，GAA 结构不仅能够提升晶体管的电流控制能力，还能在不增加能耗的情况下提高芯片的性能。这意味着，未来的芯片将能够在保持相同功耗下提供更强的计算能力，满足 AI 和大数据分析等应用的需求。
值得关注的方向是超导 CMOS 和 3D 存储技术的结合。例如，IMECC 展示的 3D CXL 存储器，它结合了先进的封装技术，能够实现更高效的数据传输和存储解决方案。这为未来的数据中心和云计算应用提供了全新的思路。
通过结合光感应、调制技术以及更多的非易失性存储器（如 SOM），未来的芯片不仅将在处理速度上大幅提升，同时也将解决存储瓶颈，进而推动更智能、更高效的计算体系。
随着制造工艺的进一步发展，传统的硅基材料可能会逐渐被新型 2D 材料所替代。比如，钼材料在 GAA 结构中的应用，代表了半导体行业探索新材料、新工艺的趋势。
这些材料在性能、稳定性和可扩展性方面具有较大的潜力，预计将在未来的芯片设计中扮演重要角色。
除了技术创新外，半导体行业的供应链也将面临深刻的变革。
随着国内外芯片制造和设计力量的快速崛起，全球芯片市场的竞争格局也在发生变化。中国的芯片制造能力不断增强，带动了整个行业的创新和产业链的重构。
这种变化促使全球半导体企业在研发和生产中更加注重本地化合作和技术分享，以保持在全球竞争中的领先地位。
小结
半导体行业正处于一个快速发展的阶段，各项前沿技术的突破为未来的创新奠定了坚实的基础。从摩尔定律到 GAA 纳米片、3D 堆叠技术，再到超导 CMOS 和非易失性存储器的进步，我们已经见证了半导体行业从量变到质变的过程。
未来，随着 AI、高性能计算和智能终端的需求不断增加，半导体行业将迎来更多颠覆性创新。作为芯片行业分析师，我们期待看到这些技术如何在实际应用中发挥作用，并为全球数字化转型带来更大的推动力。
原文标题 : IEDM ｜半导体工艺进步如何从量变到质变？
