作者 | Stuart Cording(德国)
译者 | 君谦
英特尔再次引起关注，其在2020年7月份的财报电话会议上告知投资者，7纳米制造工艺现在比其内部预期目标晚了12个月[1]。此消息一出，在消费者和金融媒体中产生了强烈反响。这很容易让人感到，摩尔定律永无止境的前进将是半导体行业创新的唯一途径。但是，没有什么比事实更现实了，正如我们看到的，半导体创新范围很广，不仅限于硅材料。
英特尔的联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)提出了每个芯片的晶体管数量随时间增长的经验关系[2]。1965年，他预计每年增长率将翻番，并在1975年将其降低到每两年翻一番。实际上，他的说法更多是一种预测，但是在新兴的半导体行业中应用开来，并被称为一种定律。正因如此，它成为了一个应验的预言。可以肯定的是，当我们从大型机转移到台式机、笔记本电脑，再到智能手机和平板电脑时，摩尔定律为我们提供了很好的服务，从而确保了在不断缩小的塑料包装壳中拥有更丰富的内存和处理性能。
对于处理器大型供应商(例如英特尔和AMD)、图形处理单元(GPU)供应商(例如Nvidia)以及DRAM 制造商(例如三星、美光和SK 海力士)，通过利用技术的前沿优势使它们在今天如虎添翼。但是，盲目追求摩尔定律对于半导体行业的快速发展并无多大的意义。那么，他们该如何创新，预期达到什么目标以及结果如何呢?
经常被忽略的是摩尔的“清算日”/“Day of reckoning”预言[3]，它清楚地表明，我们应该问自己“在什么情况下”应该建造这种“塞满零件的设备”。它还指出:用那些独立打包并互相连接的较小的功能模块构建大型系统可能更经济。从那以后，这一直是半导体行业所面临的挑战，正如摩尔(Moore)所预言的那样，模拟电路从光刻技术的改进中受益的程度要小于数字电路。
例如，物理学清楚地表明:电容器的电容取决于其极板的重叠区域面积。DRAM 行业试图解决此类问题，因为他们试图在21 世纪将存储位的单元尺寸减小到100 nm。这涉及开发具有足够电容的低泄漏电容器，与此同时，其并不需要大面积的平面型组件。通过使用沟槽存储或堆叠电容器进入第三维，可以将管芯的表面积与存储单元的面积分离[4]。
因此，某些类型的应用比其他应用更适合这些制造过程。近年来，芯片广泛应用了这种方法。这种方法的假设是，某些功能(例如存储器、FPGA 技术和模拟接口)最好在符合其需求的半导体制造工艺上制造，然后在封装阶段将硅芯片集成在一起。通过与封装基板相结合，将单个管芯聚集在一起以构成一个完整的器件。例如，可以将模拟串行器/解串器(SERDES)小芯片直接放置在与其相连的封装球上方。这可以潜在地改善电磁兼容性(EMC)，并减少电路板设计人员的布局问题。如果在单片芯片中发现问题，将很难再进行更改。
这种小芯片方法还可以对成本产生积极影响，因为随着晶圆尺寸的减小，每片晶圆的良率提高[5]。因此，与尝试生产同一产品的单片版本相比，许多较小的芯片对多芯片器件的良率产生了积极影响。这是英特尔采用基于Stratix 10芯片的体系结构[6]所采用的方法。因为它们的核心是FPGA。然后，FPGA 核心的周围是DRAM小芯片、高速收发器或客户可能需要的任何其他功能模块。供应商和客户还可以从缩短的设计时间中受益，与多个复杂的模拟和数字知识产权(IP)块集成到单个制造过程相比，将多芯片设计的系统推向市场要容易得多。
英特尔采用的一种有趣的方法是使用嵌入式多管芯互连桥(EMIB)[7]。这些是嵌入封装基板中的微小芯片桥，可在管芯和功率传输之间提供电信号路由。此外，它还被允许将以不同几何形状和不同工艺技术制造的模具包装在单个系统级封装(SiP)中。标准的微型凸块用于将芯片的信号连接线连接到EMIB，翻转芯片凸块用于电源连接。与其他多芯片2.5D 封装中使用的硅通孔(TSV)相比，该方法具有更高的良率和更大的灵活性。
就像之前提供的DRAM 示例一样，非易失性闪存行业也经历了类似的挑战:如何将更多的位封装到有限的裸片区域中。显然，要想装的更多，唯一的方法是进入第三维并进行拓展。在最好的光刻工艺中，闪存会受到单元间噪声和干扰的影响，因此，遵循摩尔定律，使用掺杂的多晶硅平面NAND 方法，并不能满足存储密度的预期需求。
Kioxia(以前是东芝)使用氮化硅的电荷陷阱单元开发了3D BiCS Flash(位列堆叠)NAND 存储，然后垂直堆叠其存储位。如果将其可视化，最终的结构看起来很像一系列密集的办公楼。最新的第五代3D BiCS Flash包括112层，而上一代是96 层。在不久的将来会创建1Tb(128 GB)单芯片闪存[8]。
维度拓展并不止于此。尽管多管芯封装并不是什么新鲜事物，但传统上它们是通过传统的焊线链接在一起的连接方式堆叠在一起的。这与将管芯粘结到封装引脚的方法基本相同。由于寄生效应，信号频率不断提升会带来相应的挑战。随着闪存和闪存存储(例如SSD 和嵌入式闪存)转移到具有更高带宽的接口(例如NVMe、PCIe和UFS)，这一问题急需解决。由于其统一的尺寸、制造技术和功能，TSV允许堆叠的管芯互连并与封装的基板键合，与引线键合方法相比，数据速率提高了一倍。
提高内存容量的最后诀窍是每个单元多存储一位。早期的闪存使用单级单元(SLC)架构，但此后一直在每个单元中存储2 个(多级单元，MLC)或3 个(三级单元，TLC)位。这意味着，不是将数据简单地实现为1或0的高电压或低电压，而是将4个或8个电压电平存储在每个单元格，分别代表值0到3或0到7。这种优势是以增加磨损为代价的，这意味着它并不适合任意一种类型的应用。SLC设备或使用SLC的分区通常保留在要求最高可靠性的应用程序部分中，例如设备的引导程序。
在过去的50年中，硅已成为半导体产品的主要支柱，但人们一直在努力寻找有助于改善其某些局限性的替代品。在电源转换领域，涵盖电源、电池充电器、电机逆变器和太阳能逆变器，其目标是通过改进IGBT 和MOSFET等开关器件来提高效率。这使设计人员可以将更多的功率包装到更小的体积中，消除了使用风扇强制冷却的需要，并最终由于节省能耗而降低每台设备的解决方案价格，或降低了总拥有成本(TCO)的价格。例如，降低导通电阻(RDS(ON))的体积可以减少开关中的损耗，从而减少需要散发的热量。开关频率的增加允许使用较小的磁性元件，从而导致更高功率密度更紧凑的设计。
碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)所属的宽禁带(WBG)半导体比硅器件(2 4eV对11.5eV)具有更高的带隙。对于设计师来说，这意味着可以实现更高的工作温度、频率和电压。当在最高功率密度下实现最高系统效率时，GaN晶体管比其他替代品更具优势。由于具有零反向恢复(Qrr)特性，它们可以几乎无损耗地切换，因此它们具有较低的RDS(ON)电阻损耗，并且可以在较高的切换频率下工作。与使用最新的基于硅的设计相比，这为提高功率供给提供了一个机会，即可以提升额外的百分比效率或者使系统的功率密度加倍[9]。
SiC MOSFET相对于基于硅的解决方案而言既能提高效率和功率密度，也具有更高的耐用性、更高的电压操作性，此外，比硅或GaN 更易于使用。此外，可以使用与具有SiC器件的硅MOSFET 相同的栅极驱动器，从而使从硅到SiC的转换相对更简单。但是，应该注意的是，它们确实需要比硅MOSFET稍高的栅极驱动电压(18 V 对15 V)，才能达到其数据手册中的RDS(ON)电阻消耗值。SiCMOSFET随着温度的升高，RDS(ON)的增加量在不断变小。
由于电源开关在约100 ℃的温度下工作，因此，这意味着工作期间其损耗更低，效率更高。较低的QOSS(漏极源极电荷)也意味着它们可用于硬开关连续导通模式(CCM)功率因数校正(PFC)设计中，而这是使用硅MOSFET 无法实现的。它可以实现99%的PFC效率，这是提高功率转换器设计总体效率的重要标志。
大多数行业似乎都经历了几十年后重新出现的周期性趋势，旧的想法被重新改造为新一代。乙烯基正在卷土重来，近年来推动了对唱片公司的需求，时尚行业通过改变过去的趋势来创造财富。半导体行业也遵循这种趋势。自成立以来，电机控制一直是电子行业的主要业务。消费类应用中的小型直流电动机已成为一项大的产业，特别是随着录像机等设备的普及。为确保磁带可以被接收和弹出，必须对关联的电动机进行双向控制。当时，该功能需要高度集成到单个设备中，从而推动了单芯片H 桥电机控制器的开发。
TA7291具有4个双极型晶体管，而其简单的两针接口提供了顺时针和逆时针控制，并具有制动功能，该制动功能利用电机的反电动势使电机快速减速[10]。该器件提供多种封装，可在4.5~20 V的电源范围内处理高达2 A的电流。除电机控制功能外，它还提供热关断和过流保护。
自成立以来，随着许多应用都转向了更高效的无刷直流(BLCD)电动机。尽管如此，每年仍然有大量的有刷直流应用开发。同时，效率的重要性也在增长，这是由于对电池供电设备性能需求的增加，以期尽可能长时间地运行。此外，小型化已成为人们关注的重点，只有极小的封装才能集成到紧凑的电路板中。
这种H桥电机驱动器的最新化身是TB67H450FNG[11]。通过使用BiCD(Bipolar，CMOS，DMOS)工艺，开关电阻已从4.75 Ω降至仅0.6 Ω。新的包装意味着该设备的重量大大减轻，而且可以使用包装底部的小金属条来实现散热，而不是通过刀片从顶部伸出来散热。制造技术的改进还意味着可以考虑实现更强解决方案的其他额外功能。这样，保护功能与以前相同，但是增加了欠压锁定，同时还增加了新的恒定电流控制模式。该设备现在可以在高达50 V的电压下运行，并且可以驱动高达3.5 A的电流。
尽管每秒万亿次浮点运算和数以泽它字节成为消费者媒体的头条新闻，而金融投资者则将利润归结于光刻技术的进步，但这并不是半导体行业进行创新的唯一方式。的确，更精细的光刻技术可以制造更小的裸片，而更大的晶圆意味着每个晶圆拥有更多的裸片，这两者都可以降低技术价格。然而，半导体厂商的创新范围要更广。新的制造工艺和技术改进继续使硅MOSFET 和晶体管越来越接近完美的开关，而SiC和GaN 等宽禁带器件则有潜力实现硅基材料所不能达到的目标。即使光刻技术保持不变，封装、管芯互连和小芯片方法在保持芯片创新方面也起到重要作用。最后，一些创新只是来自采用功能完善的产品(例如电机驱动器)，并对它们进行了重新设计以应对下一个时代的挑战。
相关链接
[1] Intel’s 7nm Is Broken， Company Announces Delay Until 2022，2023:https://www.tomshardware.com/news/intel-announces-delay-to-7nm-processors-now-one-yearbehind-expectations.
[2] Moore’s Law:https://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law.
[3] Cramming More Components ontoIntegrated Circuits:https://hasler.ece.gatech.edu/Published_papers/Technology_overview/gordon_moore_1965_article.pdf.
[4] Challenges and Future Directions forthe Scaling ofDynamic Random-Access Memory (DRAM): https://www.researchgate.net/publication/220497584_Challenges_and_future_directions_for_the_scaling_of_dynamic_random-access_memory_DRAM.
[5] Chiplet:https://en.wikichip.org/wiki/chiplet.
[6] Heterogeneous 3D System-in-PackageIntegration: https://intel.ly/2CXP97m.
[7] Embedded Multi-Die Interconnect Bridge:https://www.intel.com/content/www/us/en/foundry/emib.html.
[8] KIOXIA Europe GmbH Unveils5th-Generation BiCS FLASH: http://bit.ly/kioxia-eim.
[9] Why GaN Will Be Key to FeedingPower-Hungry 5G Networks: http://bit.ly/infineon-eim.
[10] TA7291P，TA7291S/SG，TA7291F/FG Bridge Driver:https://toshiba.semicon-storage.com/info/docget.jsp?did=16128&prodName=TA7291S.
[11] TB67H450FNG: PWM Chopper Type DCBrushed Motor Driver: http://bit.ly/toshiba-eim.
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