科普分享 | 半导体加工技术的历史、趋势和演变

 

 

导读

 

半导体技术工艺节点是衡量芯片晶体管和其他组件尺寸的标准。这些年来，节点的数量一直在稳步增加，导致计算能力也相应增加。一般来说，工艺节点越小，特征尺寸越小，晶体管越小，速度越快，越节能。

 

Markus Vomfelde

Director

 

半导体行业正在经历数字、模拟、工具、制造技术和材料方面的巨大进步。芯片开发在从设计到生产的各个层面都需要高度精密和复杂的过程。推进这一过程需要从建筑设计到可持续材料和端到端制造的重大变革，以满足对半导体不断增长的需求。为实现这一目标，业界正在采用最新技术来提高高度先进工艺节点的效率和产量。

 

半导体，物联网和数字化转型的支柱

 

我们正在见证物联网（IoT）、智能设备和最近的5G领域的重大进步。要了解这些创新将引领我们走向何方，以及我们应该对它们有何期待，我们需要对使这一新的创新浪潮成为可能的基础技术有一个基本的了解。随着半导体技术驱动的物联网（IoT）和5G的发展，人工智能的演进将比以往任何时候都更快。在过去的30年里，半导体技术的发展一直是计算能力增长的原动力。据说半导体约占计算硬件成本的 50%。基于半导体技术，人工智能计算设备与社会的融合将更加无缝和无孔不入。一个例子是自动驾驶汽车，它使用无处不在的移动边缘计算和复杂的算法来处理和分析驾驶数据。基于5G通信基础设施，人工智能（AI）和机器学习使用计算机视觉了解周围场景，然后规划和执行安全驾驶操作。这使出行更安全、更智能、更高效。物联网设备几乎可以将任何产品变成智能设备，从供水系统到服装。零售、医疗保健、生命科学、消费品和工业物联网都有很高的需求。

 

 

 

未来的创新还将使个性化芯片更容易获得，并使芯片生产更有效，最重要的是，更具可持续性。随着互联设备越来越普遍，物联网（IoT）对半导体行业非常重要。随着智能手机行业停滞不前，半导体行业必须寻找其他具有增长潜力的途径。尽管面临挑战，物联网仍然是该行业最合乎逻辑的选择。没有传感器和集成电路，物联网应用就无法运行，因此所有物联网设备都需要半导体。多年来推动半导体行业增长的智能手机市场已经开始趋于平稳。物联网市场可以为半导体制造商带来新的收入，并在可预见的未来保持半导体行业以3%至4%复合年增长率的增长。

 

半导体的大趋势和未来机遇

 

半导体技术工艺节点是衡量芯片晶体管和其他组件尺寸的指标。这些年来节点的数量一直在稳步增加，导致计算能力相应增加。节点通常意味着不同的电路世代和架构。一般来说，更小的技术节点意味着更小的特征尺寸，这会产生更小、更快、更节能的晶体管。这种趋势使我们能够开发更强大的计算机和更小尺寸的设备。工艺节点和CMOS晶体管性能之间存在关系。频率、功率和物理尺寸都受工艺节点选择的影响。这就是了解半导体工艺如何随时间演变的重要性的原因。半导体技术节点的历史可以追溯到20世纪70年代，当时英特尔发布了第一款微处理器4004。从那时起，由于半导体技术节点尺寸的进步，我们看到计算能力呈指数级增长。这使我们能够创造出更小、功能更强大的设备，例如智能手机、平板电脑和可穿戴设备。Apple A15 Bionic是当今大多数Apple最新产品的核心，采用7纳米节点技术的近40亿个工作晶体管。

 

工艺节点在半导体技术中的作用

 

半导体节点是决定微控制器性能的关键因素。随着技术的进步，每个微控制器中的节点数量不断增加。这一趋势在过去几年中已经观察到，预计今后将继续下去。技术节点（也称为工艺节点、工艺技术或简称为节点）是指特定的半导体制造工艺及其设计规则。不同的节点通常意味着不同的电路世代和架构。一般来说，工艺节点越小，特征尺寸越小，晶体管越小，速度越快，越节能。历史上，工艺节点名称指的是晶体管的许多不同特性，包括栅极长度和M1半节距。最近，由于各种营销活动和代工厂之间的分歧，这个数字本身已经失去了它曾经拥有的确切含义。较新的技术节点，如22纳米、16纳米、14纳米和10纳米，仅指采用特定技术制造的特定世代芯片。它不对应于栅极长度或半间距。尽管如此，命名约定还是得到了尊重，这就是主要代工厂对节点的称呼。

 

 

早期的半导体工艺有任意的名称，例如，HMOS III，CHMOS V。后来，每个新一代工艺都被称为技术节点或工艺节点，以工艺晶体管的纳米（或历史上的1微米）工艺的最小特征尺寸来表示栅极长度，例如“90纳米工艺”。然而，自1994年以来，情况发生了变化，用于命名工艺节点的纳米数已成为一个营销术语，与实际特征尺寸或晶体管密度（每平方毫米的晶体管数量）无关。

 

技术节点流程的演变

 

本质上，技术节点是对应于晶体管的物理特征尺寸。最初，每个微控制器都是由晶体管组成的，晶体管基本上是控制电流流动的开关，允许微控制器执行其逻辑功能。诸如28纳米或65纳米的技术节点指的是可以绘制在布局上的最小数据图形特征（半个间距或栅极长度）。然而，技术节点的命名没有标准化。诸如28 nm或65 nm之类的节点名称实际上来自传统平面MOSFET配置中所示的晶体管的最小栅极长度。一般来说，技术节点给出了晶体管在每平方毫米基板上的密集程度。从22纳米技术开始，该技术已经转向鳍式场效应晶体管（FinFET），其中FinFET后面的架构是三维配置，并且栅极长度的术语不再适合描述工艺技术。如今，随着技术从平面结构转向FinFET或全栅极FET（GAA FET），10和5纳米等技术节点不再对应于任何栅极长度或半间距距离。

 

 

瑞萨电子在开发支持下一代物联网设备的新工艺技术方面发挥着至关重要的作用。随着物联网（IoT）变得越来越重要，设备设计人员现在正在寻找使他们的设备更小、更快和更节能的方法。为了满足这些需求，瑞萨开发了一种新的工艺技术，使物联网设备的体积比以前小得多，同时功耗更低。40纳米工艺针对基于闪存的微控制器的最低功耗和最高性能进行了优化，而110纳米工艺针对宽电压范围和最低功耗操作进行了优化。结果是瑞萨电子的RL78、RA和RX微控制器比以往任何时候都执行得更快，功耗比以往任何时候都低，同时仍保留其所有功能和特性

 

瑞萨一直是工业和消费电子产品半导体解决方案的领先提供商，并以其在开发新技术以支持物联网（IoT）和最近的AIOT（人工物联网）方面的先进工艺而闻名。这方面的一个例子是我们专注于开发110纳米领域的内部低功耗工艺技术，即MF4。它允许瑞萨开发适用于广泛终端的超低功耗设备。随着我们迈向一个从汽车到家电的一切都与互联网相连的世界，对这种低功耗设备的需求变得越来越重要，而且随着越来越多的设备联网，对能源消耗的需求也在增加。为了解决这一问题，瑞萨开发了一种新的电源管理系统，可降低高达30%的能耗。这个新系统允许他们制造比以前更小的芯片，需要更少的能量。

 

瑞萨丰富的微控制器和SoC产品线提供广泛的数字和模拟功能，包括各种物联网应用所需的宽性能范围和低功耗或能量收集能力。为了从头到尾支持您的设计，瑞萨还提供合作伙伴平台、软件和开发工具。瑞萨电子的IC和模块使您能够精确地感知、理解和发送来自传感器的智能数据到云端。我们诚邀您利用我们先进的半导体技术，满足您的功耗、性能和安全要求，并帮助您在创纪录的时间内提供下一代设计。

 

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瑞萨电子 (TSE: 6723)

科技让生活更轻松，致力于打造更安全、更智能、可持续发展的未来。作为全球微控制器供应商，瑞萨电子融合了在嵌入式处理、模拟、电源及连接方面的专业知识，提供完整的半导体解决方案。成功产品组合加速汽车、工业、基础设施及物联网应用上市，赋能数十亿联网智能设备改善人们的工作和生活方式。更多信息，敬请访问renesas.com

 

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