More Moore和More than Moore牽引半導體行業的發展

摩爾定律（Moore‘s Law）是半導體行業的核心。按照摩爾定律，晶體管的尺寸隨著節點（Node）而縮小。此外，把各種小型、高速的晶體管集成到芯片上這一焦點問題以及人們無限的“欲望”推動著摩爾定律發展到今天。

與旨在通過使此類晶體管小型化來提高性能的“More Moore”不同，“More than Moore”中的元件使數字電子（Digital Electronics）直面模擬世界、代表著科技領域新功能的多樣化，隨著5G、IoT、無人駕駛、神經傳感（Neural Sensor）等各種各樣的新應用（Application）的登場，出現了前所未有的變化。

此外，如今的很多半導體廠家雖然也很重視尺寸、速度、電力，如果要用最高的節點（Node）來做成最佳尺寸（Geometry）的話，其實并不需要使用所有的尖端技術，半導體廠家需要理解這一點。

More than Moore的技術課題是什么？

對More than Moore而言，芯片生產商直面的技術課題并不是那么難，但是，也需要具體情況具體分析、且每種情況下的要求又是不同的，例如，有些情況需要采用特殊的構造、有的需要采用非硅材料。大部分情況下，生產此類元件采用的是原用于研發硅制半導體的較大節點而開發的設備和工藝（Process），現在隨著新技術和尖端知識的進步而進步。

下面我們來看看在現實和數字（Digital）之間交換信息所需要的芯片、電路種類以及它們所面對的制造方面的課題。

（1）傳感器和變換器（Sensor& Transducer）

傳感器和變換器（Sensor& Transducer）是把物理量的變化轉為電信號，或者反之。這些變化的量、溫度、壓力、運動等，以及由此而產生的信號通常是模擬的，且根據值的范圍而不斷地變化。

傳感器的值根據感知的量而發生變化。如今的汽車配備了多達數百個傳感器，用于監測發動機所必須的混合燃料、車內一氧化碳濃度，涉及汽車的各個方面。加速傳感器監測到汽車發生撞擊并展開安全氣囊。陀螺傳感器（Gyro Sensor）感應汽車位置的移動。為掌握無人駕駛車輛周邊的情況，需要搭載大量的傳感器。搭載到新一代智能手機上的傳感器，使指紋3D識別成為可能（防止黑客入侵）、使具有較高靈敏度的麥克風對Home Automation System（家居自動化系統）的指令做出反應。至于 Biomedical Sensor（生物醫學傳感器），不僅可以監測人體的健康情況，還可以監測人類在思考什么、如何思考的等等。

很多傳感器都是使用 MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems，微電子機械系統）工藝來生產的（即與生產半導體一樣，采用半導體生產工藝中使用的硅材料、工藝），而加工尺寸比硅制半導體元件要大得多。試驗證明，即使是加速傳感器和陀螺傳感器（Gyro Sensor）也具有較高的性能。此外，通過利用性能較高的壓電材料、元件（前提是采用新工藝、成膜技術、蝕刻技術），可以使3D指紋傳感、靈敏度較高的麥克風的性能發揮得較好。

（2）模擬和混合信號（Analog & Mixed Signal）

一般情況下，很多從傳感器輸出的電信號都是將電壓、電流轉換成模擬波的形式。為了靈活運用它們，需要進行諸如放大或過濾等各種調整，這是模擬線路的工作。這些模擬線路還可以用于其他的情況，如用來放大發送到音頻系統揚聲器中的音頻信號。

至于其他重要的模擬應用（Analog Application），有無線通信（如Wi-Fi、Bluetooth等）、無線射頻信號（如無人駕駛系統的雷達）。對于較小尺寸（Geometry）而言，模擬線路并不總是有益的。對于模擬線路而言，一個小小的配件的細微的變化，可能對整個線路帶來無法預期的影響，因此，有時候很難設計、生產。

此外，混合信號（Mixed Signal）線路是數字和模擬組件（Component）的組合體。把模擬信號轉換為數字（或者反之）的元件（或者設備）是十分重要的。

常有用戶提出要求說，希望用較少數量的芯片獲得較多的功能，因此，此類電路的需求迅速高漲。出現了以下這種生產工藝：在同一個芯片上形成用于模擬的雙極（Bipolar）晶體管、用于數字的CMOS、用于電源的DMOS等特殊類型的晶體管，這與數字線路占有較大比例的CPU等有較大的不同。

如今，混合線路的生產正在從200mm晶元向300mm晶元轉移，且已經成為CMOS進行晶元尺寸轉換時研發的設備的備選應用場景（Bridge Tool，橋接工具）。

（3）電源

對于所有的設備來說，電源的供給和管理至關重要。舉例來說用于風力渦輪機（Turbine）和高速火車的大功率設備（High Power Device）、電動汽車上的快速充電設備和高功率設備等，快速充電和電源管理對于各種小型移動設備來說都是必須的要素。

以上這些采用的技術各不相同，一些設備采用的是橫向尺寸較大、較薄的垂直結構，此外，也有基于GaN、SiC等寬帶隙（Wide-Band-Gap）半導體的元件。

Lam Research大約在15年前就已經開始銷售支持300mm晶元蝕刻的設備（RIE）“Versys Kiyo45”，近年來，此款設備已經滿足了GaN、AIGaN基板的較高的蝕刻需求，且已經滿足了200mm晶元的對應要求，正在推進作為橋接工具（Bridge Tool）的活用。

（4）光通信和光電子元件

如果網絡逐步過渡過5G，人們對于能夠提高線路速度的光學元件的需求將會增加。這些元件因能把光信號轉化為電信號而將被廣泛使用，且主要采用激光二極管（Laser Diodes）、LED。舉個特殊的例子，現在人們正在研發如何把小型的LED（Micro LED）應用的智能手機的顯示屏（Display）上。

這些光學元件中的光監測器（Photo Detector）接收光信號，并轉換為電。而電光調制器（Electro-Optic- Modulator）則用于調整光信號的位相、頻率、振幅、偏光等。而且，光隔離器（Isolator）則用來阻擋反射回來的光、導波管負責在芯片內部發送信號。

較活潑的光通信以及光電子設備多采用寬帶隙（Wide-Band-Gap）化合物半導體構成的，而像導波管這樣的被動元件基本是用硅制的。在這些生產工藝中，需要嚴格控制晶元間波長的均勻性、光學特性（如光的折射率等）。

隨著互聯設備（Connected Device）的迅速普及，在可攜帶（Portable）設備、可穿戴（Wearable）設備、IoT和5G通信、云儲存（Cloud Storage）、無人駕駛技術等無數新應用（Application）領域，都在創新著適合各個領域的專用設備及需求。這些設備中的很大一部分都不需要高級節點（Node）帶來的細微化工藝，且可以利用技術枯竭的傳統節點導入系統，并在此系統的基礎上構筑新的系統。但是，我們需要記住的是未來還需要調整某些特定的功能、提高那些通過利用新技術和新知識獲得的選擇性的功能。
責任編輯：tzh