2024年，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)10大動(dòng)向

年關(guān)將至，IEEE（電氣電子工程師學(xué)會(huì)）的旗艦雜志IEEE Spectrum盤(pán)點(diǎn)了2024年行業(yè)內(nèi)的十大動(dòng)向，涵蓋主要的技術(shù)進(jìn)步、頭部半導(dǎo)體企業(yè)動(dòng)態(tài)以及行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局等內(nèi)容，雷峰網(wǎng)(公眾號(hào)：雷峰網(wǎng))對(duì)文章編譯如下：

1. 邁向萬(wàn)億晶體管GPU

如果臺(tái)積電高管的預(yù)測(cè)是正確的，那么萬(wàn)億晶體管GPU將在十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)階段，用于人工智能訓(xùn)練的GPU性能已經(jīng)達(dá)到極限，其晶體管數(shù)量大約是1000億個(gè)。持續(xù)增加晶體管數(shù)量的趨勢(shì)將需要多個(gè)芯片，通過(guò)2.5D或3D封裝從而執(zhí)行計(jì)算。

半導(dǎo)體技術(shù)已從2D封裝轉(zhuǎn)向3D封裝，如臺(tái)積電CoWoS技術(shù)可以突破光刻掩模版限制集成多芯片，已經(jīng)被應(yīng)用于英偉達(dá)Ampere和Hopper GPU，且從7nm到4nm技術(shù)轉(zhuǎn)變使相同面積晶體管數(shù)量增加。

HBM等芯片堆疊技術(shù)對(duì)人工智能也很重要，未來(lái)3D SoIC技術(shù)有望提供更密集的垂直互連。AMD MI300A利用3D封裝技術(shù)結(jié)合GPU、CPU及HBM處理人工智能工作負(fù)載，通過(guò)2.5D或3D封裝技術(shù)集成多芯片可實(shí)現(xiàn)超1萬(wàn)億晶體管 GPU，且垂直互連密度有望大幅提升。

GPU性能在過(guò)去15年內(nèi)，每?jī)赡晏岣呒s三倍，未來(lái)先進(jìn)封裝技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化等將繼續(xù)推動(dòng)其提升。

2. 超亮激光器有望取代二氧化碳激光器

半導(dǎo)體激光存在過(guò)暗的缺陷，限制了其在材料加工和激光雷達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用，而其他類(lèi)型的超亮激光如二氧化碳激光和光纖激光又存在體積大、成本高、能效低和難控制等問(wèn)題。

京都大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的光子晶體面發(fā)射激光器（PCSEL）突破了傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光的亮度限制，其獨(dú)特構(gòu)造是在活性?shī)A層之間增加了帶納米孔的光子晶體層，通過(guò)調(diào)節(jié)孔的間距和形狀控制光在激光內(nèi)的傳播，使其僅在基模下振蕩，從而產(chǎn)生強(qiáng)大且窄的光束，實(shí)現(xiàn)高亮度。2023年研制出亮度達(dá)1GW/cm2/sr的PCSEL，可切割鋼鐵。

高亮度PCSEL可用于制造更小更便宜的自動(dòng)駕駛汽車(chē)和機(jī)器人傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)片上光束轉(zhuǎn)向，還有望取代芯片制造中的極紫外光刻機(jī)中的二氧化碳激光器，助力核聚變和太空光推進(jìn)等，應(yīng)用前景廣闊。

3. 英特爾重啟芯片制造

過(guò)去五年英特爾在先進(jìn)芯片制造方面落后于臺(tái)積電和三星，為重新領(lǐng)先，其在 2024 年底推出的桌面和筆記本 Arrow Lake處理器中采用兩項(xiàng)新技術(shù)，即新的晶體管技術(shù)RibbonFET（納米片晶體管）和首創(chuàng)的背面供電系統(tǒng) PowerVia，希望借此超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

英特爾在過(guò)去二十年曾引領(lǐng)晶體管架構(gòu)變革，但同樣面臨很多問(wèn)題，如2018年10納米CPU延遲交付、14納米CPU缺貨以及2020年7納米節(jié)點(diǎn)也推遲。

RibbonFET將取代FinFET技術(shù)，其柵極能更好地控制電流，在英特爾20A處理節(jié)點(diǎn)引入時(shí)預(yù)計(jì)能效提升15%。PowerVia是更重大的改變，首次利用晶圓背面分離電源和處理，因電源線和信號(hào)線優(yōu)化需求不同，這種解耦很重要。

大約五年前，英特爾決定同時(shí)引入兩項(xiàng)技術(shù)，這是非常冒險(xiǎn)的舉措，此前英特爾較保守，現(xiàn)在情況反轉(zhuǎn)。為降低 20A節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)，英特爾增加內(nèi)部節(jié)點(diǎn)將PowerVia與當(dāng)前FinFET配對(duì)，測(cè)試表明單獨(dú)添加PowerVia性能提升6%，但制造過(guò)程仍面臨芯片正反面納米級(jí)垂直連接器對(duì)準(zhǔn)鏈接及保持硅片兩面平坦等挑戰(zhàn)，且成本改進(jìn)趨緩，設(shè)計(jì)人員也需重新思考互連線和布局。

4. 佐治亞理工研發(fā)出世界首個(gè)石墨烯制成的的功能半導(dǎo)體

世界首個(gè)石墨烯半導(dǎo)體芯片基于外延石墨烯與碳化硅化學(xué)鍵合的碳晶體結(jié)構(gòu)，名為半導(dǎo)體外延石墨烯（SEC），相比傳統(tǒng)硅電子遷移率更高，能讓晶體管在太赫茲頻率下運(yùn)行，速度比當(dāng)前硅基晶體管快10倍。

半導(dǎo)體中硅在速度等方面已接近極限，石墨烯導(dǎo)電性更好，但此前由于缺帶隙（能量間隙）難用于電子器件，以往化學(xué)方法制造帶隙有遷移率低等問(wèn)題，機(jī)械變形制造帶隙雖有成果但帶隙小且遷移率信息不足，SEC在無(wú)缺陷碳化硅平臺(tái)制得大面積半導(dǎo)體且碳化硅與傳統(tǒng)微電子加工方法兼容。

5. 英特爾代工技術(shù)的巔峰

英特爾將獲得更多客戶的希望寄托于其18A工藝，該工藝結(jié)合了納米片晶體管和背面供電。但關(guān)于客戶計(jì)劃用這項(xiàng)技術(shù)構(gòu)建什么產(chǎn)品，目前還沒(méi)有很多細(xì)節(jié)。

在Clearwater Forest服務(wù)器 CPU 中，納米片晶體管將帶來(lái)更高的性能和更低的功耗，使得芯片在處理復(fù)雜計(jì)算任務(wù)時(shí)能夠更加高效地運(yùn)行，滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)高性能計(jì)算的不斷增長(zhǎng)的需求。背面供電技術(shù)則能夠優(yōu)化電源傳輸，減少信號(hào)干擾，進(jìn)一步提升芯片的穩(wěn)定性和可靠性。

6. 全球芯片公司挑戰(zhàn)英偉達(dá)

有人能打敗英偉達(dá)嗎？這是很多媒體2024年的關(guān)鍵選題，我們的答案是：很有可能。這完全取決于你想在什么方面擊敗英偉達(dá)。以下是對(duì)英偉達(dá)潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手公司的梳理：

AMD：擁有廣泛的GPU產(chǎn)品線，且是高帶寬內(nèi)存的早期支持者，其即將推出的Instinct MI325X備受期待，不過(guò)軟件生態(tài)ROCm與CUDA相比太落后。

Intel：Intel2018年推出的OneAPI可跨多類(lèi)硬件加速AI任務(wù)，但后續(xù)硬件發(fā)布計(jì)劃不明。其計(jì)劃推出的Falcon Shores芯片架構(gòu)和性能細(xì)節(jié)尚未公布，預(yù)計(jì)2025年末發(fā)布。

Qualcomm：AI戰(zhàn)略側(cè)重特定任務(wù)的推理和能效，在智能手機(jī)、平板電腦、AI 輔助駕駛等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但缺乏用于 AI 訓(xùn)練的大型前沿芯片。

Broadcom：在網(wǎng)絡(luò)通信芯片方面技術(shù)強(qiáng)、市場(chǎng)份額高，能提供高速穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)連接助力AI數(shù)據(jù)傳輸，產(chǎn)品線豐富、供應(yīng)鏈管理強(qiáng)，但AI核心計(jì)算能力相比專(zhuān)業(yè)廠商較弱，在深度學(xué)習(xí)硬件優(yōu)化和軟件生態(tài)建設(shè)上相對(duì)滯后。

Groq：專(zhuān)注于AI推理性能，其架構(gòu)緊密結(jié)合內(nèi)存和計(jì)算資源，使用14納米技術(shù)的芯片在運(yùn)行Meta Llama 380 億參數(shù)模型時(shí)推理速度超1250 tokens/秒，性能出色，但目前應(yīng)用限于推理。

Cerebras：Wafer Scale Engine系列芯片規(guī)模巨大，WSE - 3有4萬(wàn)億晶體管，遠(yuǎn)超英偉達(dá) B200。但受制于芯片尺寸、成本和專(zhuān)業(yè)性，應(yīng)用領(lǐng)域較窄，主要面向特定客戶如美國(guó)國(guó)防部等。

超大規(guī)模云計(jì)算公司：包括亞馬遜、谷歌、微軟等，為滿足自身及云計(jì)算客戶需求自行設(shè)計(jì)芯片，如谷歌的 TPU、亞馬遜的Trainium和微軟的Maia等。雖不直接向客戶銷(xiāo)售硬件，但通過(guò)云服務(wù)提供使用途徑，與英偉達(dá)等形成競(jìng)爭(zhēng)。

7. 印度向半導(dǎo)體行業(yè)投資152億美元

2024年，印度政府批準(zhǔn)了一項(xiàng)對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的重大投資，投資額度達(dá)到1.26萬(wàn)億印度盧比（約152億美元），希望通過(guò)此舉加強(qiáng)印度在半導(dǎo)體領(lǐng)域的獨(dú)立程度。主要項(xiàng)目包括建立印度首個(gè)先進(jìn)芯片代工廠和兩座封裝測(cè)試設(shè)施，這些項(xiàng)目計(jì)劃將在100天內(nèi)開(kāi)始動(dòng)工。

臺(tái)灣晶圓代工廠力積電（PSMC）董事長(zhǎng)Frank Hong稱(chēng)：“一方面，印度擁有龐大且不斷增長(zhǎng)的國(guó)內(nèi)需求，另一方面，全球客戶正在關(guān)注印度的供應(yīng)鏈彈性，現(xiàn)在是印度進(jìn)入半導(dǎo)體制造業(yè)的最佳時(shí)機(jī)。”

印度首個(gè)先進(jìn)芯片代工廠是臺(tái)灣力積電和印度塔塔電子110億美元的合資項(xiàng)目，能生產(chǎn)28、40、55和110納米芯片，月產(chǎn)能5萬(wàn)片晶圓，其技術(shù)雖非最前沿，但應(yīng)用廣泛且針對(duì)芯片短缺的核心領(lǐng)域，預(yù)計(jì)將創(chuàng)造超2萬(wàn)個(gè)技術(shù)崗位。

在封裝測(cè)試設(shè)施方面，塔塔電子將投資32.5億美元建廠，計(jì)劃拓展先進(jìn)封裝技術(shù)，預(yù)計(jì)2025年投產(chǎn)，創(chuàng)造2.7萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位；日本瑞薩電子、泰國(guó)Stars Microelectronics和印度 CG Power and Industrial Solutions合資9億美元建廠，提供引線鍵合和倒裝芯片技術(shù)，CG占股92%，此外美光公司也在此有建設(shè)計(jì)劃。

印度此前吸引芯片企業(yè)舉措失敗后改進(jìn)了激勵(lì)政策，現(xiàn)在印度半導(dǎo)體市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速，預(yù)計(jì)2026年增長(zhǎng)至640億美元，2030年達(dá)1100億美元（占全球 10%）。

8. 混合鍵合在3D芯片中扮演重要角色

混合鍵合技術(shù)將兩個(gè)或更多芯片堆疊在同一封裝內(nèi)，從而增加處理器和內(nèi)存中的晶體管數(shù)量。

在五月的IEEE電子元件與技術(shù)會(huì)議（ECTC）上，全球研究團(tuán)隊(duì)展示了對(duì)混合鍵合技術(shù)的多項(xiàng)改進(jìn)成果，其能在每平方毫米硅片上實(shí)現(xiàn)約700萬(wàn)連接?；旌湘I合在先進(jìn)封裝行業(yè)增長(zhǎng)迅猛，預(yù)計(jì)2029年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)380億美元。

研究人員將繼續(xù)攻克混合鍵合連接間距問(wèn)題，臺(tái)積電等計(jì)劃引入背面供電技術(shù)助力提升，未來(lái)甚至可能實(shí)現(xiàn)電路塊跨晶圓“折疊”及不同材料間的混合鍵合，其發(fā)展前景廣闊且速度很快。

9. 摩爾定律的未來(lái)：粒子加速器

英特爾、三星、臺(tái)積電和日本Rapidus等公司在增加芯片每平方毫米晶體管數(shù)量時(shí)，都依賴復(fù)雜昂貴的極紫外（EUV）光刻技術(shù)。

當(dāng)前EUV系統(tǒng)由ASML制造，其雖使芯片制造進(jìn)入新階段，但存在諸多問(wèn)題，如光源亮度低、未來(lái)精細(xì)圖案制作需更高功率光源、污染、波長(zhǎng)純度、反射鏡收集系統(tǒng)性能及高運(yùn)營(yíng)成本。

日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK）的研究人員認(rèn)為利用粒子加速器的自由電子激光（FEL）可以降低EUV光刻的成本，而且更加高效，能量回收型直線加速器（ERL）有望讓FEL更經(jīng)濟(jì)性地產(chǎn)生數(shù)十千瓦EUV功率，驅(qū)動(dòng)下一代光刻機(jī)，降低芯片制造成本。

10. 下一波晶圓級(jí)處理器浪潮

在臺(tái)積電北美技術(shù)研討會(huì)上，其公布了半導(dǎo)體和芯片封裝技術(shù)路線圖。芯片封裝技術(shù)促使處理器向更大硅片規(guī)模發(fā)展，可能催生晶圓級(jí)系統(tǒng)。過(guò)去芯片制造商靠縮小晶體管和互連尺寸提升處理器邏輯密度的方法已乏力，行業(yè)轉(zhuǎn)向先進(jìn)封裝技術(shù)，臺(tái)積電已為Cerebras制造晶圓級(jí)AI處理器。

2027年，晶圓級(jí)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)類(lèi)似Si-IF技術(shù)，UCLA團(tuán)隊(duì)正在實(shí)現(xiàn)提升互連密度、添加如電容、電感和氮化鎵功率晶體管等功能。AI訓(xùn)練是晶圓級(jí)技術(shù)的首要應(yīng)用，但還有其他應(yīng)用，如伊利諾伊大學(xué)香檳分校團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的用于數(shù)據(jù)中心的晶圓級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，可大幅減少大型數(shù)據(jù)中心所需高級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)數(shù)量。

本文由雷峰網(wǎng)編譯自：https://spectrum.ieee.org/top-semiconductor-stories-2024

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