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高科技產業齊步走-技術節點的新命名

  • 林育中

最近產學界人士提出了新的技術節點指標,包括了一組邏輯密度、記憶體密度和兩者之間的連線密度3個維度,以毫米平方為面積單位。

摩爾定律常被用來展示半導體發展的結果,但是如果說摩爾定律是半導體發展的原因其實更貼切事實,業內的人喜歡用自我實現的預言(self-fulfilling prophecy)來稱呼摩爾定律。摩爾定律的概念初生於1965年,這時離Fairchild半導體做出第一個積體電路也不過5、6年,一個短期產業現象學觀察的趨勢卻能奇蹟似的成為貫穿一甲子的定律,背後有它必然的理由。

半導體是一個技術變動快速、加值鏈環節多且複雜的產業,經濟價值的持續創造依賴於產業中各加值環節的高度同步協作,像現在流行的「設計技術協同優化」(DTCO;Design-Technology Co-Optimization)就只是其具體實現的一部分。稍遠的,像20年多前訂定的300mm晶圓廠規格,許多資訊流、自動化、安全等規格與近年來才興起的工業4.0相比一點也不遜色,這也是產業內高度同步協作的具體實施結果。

也就是說摩爾定律概念被提出時雖然只是個短期的現象學觀察,但是它迅速的轉換成業界的協同發展時程規範,就如同積體電路中的clock。由其再衍生出的各種製程、產品、設備、材料等共同標準綿密的協調各價值環節。可以説,摩爾定律規劃、協調半導體產業,使之成為極為有效的價值創造機器,所以它是因,不是果。

這個策略如此有效,以致於新興的高科技產業如量子計算也爭相模仿。量子計算機領先群中的IBM就倡導量子體積(quantum volume)的概念,這個概念大致是量子計算可以準確操作的一個指標。IBM已顯示過去3、4年間量子體積以每年2倍的速率成長,這是一個類似摩爾定律的產業發展藍圖—藉技術發展路標的印象銘刻來驅動整個產業齊步走。

可是這個產業驅動策略現在逐漸面臨挑戰。功能上,近似摩爾定律的進展其實持續發生,譬如每個邏輯晶片中都有的SRAM的面積在7nm時約0.04μm2,5nm時約0.02μm2,節點間的元件密度大概還是以2倍的速度在增加,但是節點的命名卻與現實中的物理特性脫節了,對於產業協作因而不甚有用。

原先節點的命名在邏輯製程是以閘極長度(gate length)命名,在記憶體則是以半金屬節距(half metal pitch,上層金屬連線間的半間距長),二者均能準確反應元件最關鍵的特性尺寸,而且與平面製程的最高解析度息息相關。但是近年來的半導體製程進展已不僅依賴於關鍵尺寸的微縮,3D製程、封裝、材料等多元努力也一起推動了技術前進的步伐,以關鍵尺寸命名的技術節點已逐漸失去其協調的效用。

所以最近一群產、學界的人士,包括台積電、史坦福、MIT、柏克萊的管理人員及教授在IEEE提出了新的技術節點指標(metric),這個指標以高效能計算為技術評價指標中心,包括了一組邏輯密度、記憶體密度和兩者之間的連線密度3個維度,以毫米平方為面積單位。其中連線的方法包括印刷線路板、中介板、晶片對晶圓和晶圓對晶圓對晶圓的直接鍵合,乃至未來的3D單晶堆疊,這裡面已經包含了廣義的製程進展。這3個維度的高度匹配、平衡標誌著計算能力的提升。

這個新的指標的確能清楚而且精確的描述出技術的特性,甚至是連速度、散熱的訊息都間接隱藏在其中。以現在最先進的製程為例,這指標讀起來像是[38M, 383M, 12K]。有了明確的意涵,技術路標才能發揮協調產業的作用。這個倡議立意良好,興許能當半導體產業持續發展的燈塔。

我只有兩點小意見。命名要能家喻戶曉,訊息要簡單。上面那個最先進製程的名字叫什麼,你記得了嗎?還有,在異構整合的技術發展軸線上,應用才是半導體最大的價值推動力。這個倡議技術指標的核心議題是高效能計算,其他的應用怎麼定義指標產業才能齊步走呢?

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。