盤點半導體產(chǎn)業(yè)十大重要創(chuàng)新

在昨日舉辦的國際半導體展(SEMICON TAIWAN)中，已經(jīng)退休的臺積電創(chuàng)辦人張忠謀出席了相關(guān)論壇并發(fā)表了演講，張忠謀以“從半導體的重要創(chuàng)新看半導體公司的盛衰”為主題，回顧了整個半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷程，并例舉了自己心中十大半導體產(chǎn)業(yè)重要創(chuàng)新，并表示這些創(chuàng)新是推動半導體市場成長的主要動能！

同時，張忠謀還對未來半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進行了預估，表示未來10到20年，半導體產(chǎn)業(yè)成長幅度會比全球GDP成長率高出200到300基點，整體半導體業(yè)產(chǎn)值年成長率將達到5%-6%，將比全球GDP高出2%-3%；雖然各項技術(shù)仍會面臨盛衰，但未來創(chuàng)新的空間還是很大。

這十大創(chuàng)新主要包括電晶體、積體電路、存儲器、封測代工及晶圓代工等技術(shù)，對此，芯方式進行了簡單的盤點和回顧，共同來瞻仰一下十大推動半導體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重要創(chuàng)新！

十大創(chuàng)新第一位：貝爾實驗室電晶體

電晶體被認為是現(xiàn)代歷史中最偉大的發(fā)明之一，在重要性方面可以與印刷術(shù)，汽車和電話等的發(fā)明相提并論。電晶體實際上是所有現(xiàn)代電器的關(guān)鍵驅(qū)動（active）元件。電晶體在當今社會的重要性主要是因為電晶體可以使用高度自動化的過程進行大規(guī)模生產(chǎn)的能力，因而可以不可思議地達到極低的單位成本。

第一個電晶體是1947年發(fā)明的，出自貝爾實驗室。發(fā)明者有三位，分別是約翰·巴定、威廉·肖克萊和華特·布萊登。

十大創(chuàng)新第二位：矽電晶體

電晶體（transistor）是一種固態(tài)半導體元件，可以用于放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其他功能。電晶體作為一種可變開關(guān)，基于輸入的電壓，控制流出的電流，因此電晶體可做為電流的開關(guān)，和一般機械開關(guān)（如Relay、switch）不同處在于電晶體是利用電訊號來控制，而且開關(guān)速度可以非常之快，在實驗室中的切換速度可達100GHz以上。

1947年貝爾實驗室發(fā)明了電晶體之后，1954年德州儀器發(fā)明了矽電晶體，這讓當時掌握創(chuàng)新技術(shù)的德州儀器成為了市場贏家！

十大創(chuàng)新第三位：集成電路

集成電路，英文為Integrated Circuit，縮寫為IC；顧名思義，就是把一定數(shù)量的常用電子元件，如電阻、電容、晶體管等，以及這些元件之間的連線，通過半導體工藝集成在一起的具有特定功能的電路。

為什么會產(chǎn)生集成電路？我們看一下1942年在美國誕生的世界上第一臺電子計算機，它是一個占地150平方米、重達30噸的龐然大物，里面的電路使用了17468只電子管、7200只電阻、10000只電容、50萬條線，耗電量150千瓦。

顯然，占用面積大、無法移動是它最直觀和突出的問題；如果能把這些電子元件和連線集成在一小塊載體上該有多好！有很多人思考過這個問題，也提出過各種想法。

典型的如英國雷達研究所的科學家達默，他在1952年的一次會議上提出：可以把電子線路中的分立元器件，集中制作在一塊半導體晶片上，一小塊晶片就是一個完整電路，這樣一來，電子線路的體積就可大大縮小，可靠性大幅提高。這就是初期集成電路的構(gòu)想。

晶體管的發(fā)明使這種想法成為了可能，1947年在美國貝爾實驗室制造出來了第一個晶體管，而在此之前要實現(xiàn)電流放大功能只能依靠體積大、耗電量大、結(jié)構(gòu)脆弱的電子管。晶體管具有電子管的主要功能，并且克服了電子管的上述缺點，因此在晶體管發(fā)明后，很快就出現(xiàn)了基于半導體的集成電路的構(gòu)想，也就很快發(fā)明出來了集成電路。

1958年：仙童公司羅伯特·諾伊斯（RobertNoyce）與德儀公司杰克·基爾比（Jack Kilby）間隔數(shù)月分別發(fā)明了硅集成電路和鍺集成電路，開創(chuàng)了世界微電子學的歷史。

十大創(chuàng)新第四位：摩爾定律

摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的。其內(nèi)容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月翻一倍以上。

這一定律揭示了信息技術(shù)進步的速度。

盡管這種趨勢已經(jīng)持續(xù)了超過半個世紀，摩爾定律仍應該被認為是觀測或推測，而不是一個物理或自然法。預計定律將持續(xù)到至少2015年或2020年。然而，2010年國際半導體技術(shù)發(fā)展路線圖的更新增長已經(jīng)放緩在2013年年底，之后的時間里晶體管數(shù)量密度預計只會每三年翻一番。

“摩爾定律”對整個世界意義深遠。在回顧40多年來半導體芯片業(yè)的進展并展望其未來時，信息技術(shù)專家們認為，在以后“摩爾定律”可能還會適用。但隨著晶體管電路逐漸接近性能極限，這一定律終將走到盡頭。40多年中，半導體芯片的集成化趨勢一如摩爾的預測，推動了整個信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進而給千家萬戶的生活帶來變化。

十大創(chuàng)新第五位：MOS技術(shù)

傳統(tǒng)的電晶體我們稱之為雙極電晶體（bipolar transistor），由於此種電晶體生產(chǎn)程序上的先天限制，使得我們很難在一個芯片上制出元件密度很高的集成電路出來，因此目前所謂的LSI（Large Scale Integration大型積體）都是用MOS方法制造的。

所謂MOS乃是Metal OxideSemiconductor諸英文字的縮寫，利用此種技術(shù)可以把集成電路做得更小且其包含的元件更多。而且在制造的程序上MOS的制作也要比制造傳統(tǒng)電晶體簡單。

我們都知道一個產(chǎn)品要能在市場上競爭，不外乎品質(zhì)優(yōu)異，價格低廉， MOS的制作程序簡單故成本較低。體積和重量的減少也是使集成電路受到普遍重視與喜好的原因之一，當然這些原因較諸成本的降低就顯得無足輕重了。MOS技術(shù)的出現(xiàn)也讓摩爾定律得以延續(xù)！

十大創(chuàng)新第六位：存儲器

存儲器，是半導體行業(yè)三大支柱之一。存儲器就類似于鋼鐵之于現(xiàn)代工業(yè)，是名副其實的電子行業(yè)“原材料”。如果再將存儲器細分，又可分為DRAM、NAND Flash和Nor Flash三種，其中DRAM主要用來做PC機內(nèi)存（如DDR）和手機內(nèi)存（如LPDDR），兩者各占三成。

DRAM領域經(jīng)過幾十年的周期循環(huán)，玩家從80年代的40~50家，逐漸減少到了08年金融危機之前的五家，分別是：三星（韓）、SK海力士（韓）、奇夢達（德）、鎂光（美）和爾必達（日），五家公司基本控制了全球DRAM供給，終端產(chǎn)品廠商如金士頓，幾乎沒有DRAM生產(chǎn)能力，都要向它們采購原材料。經(jīng)過幾次“反周期定律”和洗牌，DRAM領域最終只剩三個玩家：三星、海力士和鎂光。

近兩年來存儲行業(yè)的強勢價格走勢，已經(jīng)極大地影響了國內(nèi)智能手機產(chǎn)業(yè)乃至整個 IC 芯片行業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)在不論是資本方、產(chǎn)業(yè)鏈還是終端的消費者，對內(nèi)存相關(guān)的消息都異常地敏感和警惕。

但在政策和企業(yè)的大力發(fā)展下，今年下半年，國內(nèi)三大存儲廠商長江存儲、福建晉華、合肥長鑫將相繼進入試產(chǎn)階段，中國存儲產(chǎn)業(yè)將迎來發(fā)展的關(guān)鍵階段。國產(chǎn)內(nèi)存雖然暫時難以撼動三星、美光、SK海力士等國際存儲巨頭的地位，但或?qū)θ虼鎯κ袌鰞r格走勢產(chǎn)生影響。

十大創(chuàng)新第七位：封裝與測試

半導體生產(chǎn)流程由晶圓制造、晶圓測試、芯片封裝和封裝后測試組成。半導體封裝測試是指將通過測試的晶圓按照產(chǎn)品型號及功能需求加工得到獨立芯片的過程。

其中，封裝是保護芯片免受物理、化學等環(huán)境因素造成的損傷，增強芯片的散熱性能，以及將芯片的I/O端口聯(lián)接到部件級(系統(tǒng)級)的印制電路板(PCB)、玻璃基板等，以實現(xiàn)電氣連接，確保電路正常工作。

測試主要是對芯片、電路以及老化后的電路產(chǎn)品的功能、性能測試等，外觀檢測也歸屬于其中。其目的是將有結(jié)構(gòu)缺陷以及功能、性能不符合要求的產(chǎn)品篩選出來。

在集成電路產(chǎn)業(yè)市場和技術(shù)的推動下，集成電路封裝技術(shù)不斷發(fā)展，大體經(jīng)歷以下三個技術(shù)階段的發(fā)展過程：

第一階段是1980年之前以為代表的通孔插裝(THD)時代。這個階段技術(shù)特點是插孔安裝到PCB上，主要技術(shù)代表包括TO(三極管)和DIP(雙列直插封裝)，其優(yōu)點是結(jié)實、可靠、散熱好、功耗大，缺點是功能較少，封裝密度及引腳數(shù)難以提高，難以滿足高效自動化生產(chǎn)的要求。

第二階段是1980年代開始的表面貼裝(SMT)時代，該階段技術(shù)的主要特點是引線代替針腳，由于引線為翼形或丁形，從兩邊或四邊引出，較THD插裝形式可大大提高引腳數(shù)和組裝密度。最早出現(xiàn)的表面貼裝類型以兩邊或四邊引線封裝為主，主要技術(shù)代表包括SOT(小外形晶體管)、SOP(小外形封裝)、QFP(翼型四方扁平封裝)等。采用該類技術(shù)封裝后的電路產(chǎn)品輕、薄、小，提升了電路性能。性價比高，是當前市場的主流封裝類型。

在電子產(chǎn)品趨小型化、多功能化需求驅(qū)動下，20世紀末期開始出現(xiàn)以焊球代替引線、按面積陣列形式分布的表面貼裝技術(shù)。這種封裝的I/O是以置球技術(shù)以及其它工藝把金屬焊球(凸點)矩陣式的分布在基板底部，以實現(xiàn)芯片與PCB板等的外部連接。

該階段主要的封裝形式包括球狀柵格陣列封裝(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP)、晶圓級芯片封裝(WLP)、多芯片封裝(MCP)等。BGA等技術(shù)的成功開發(fā)，解決了多功能、高集成度、高速低功耗、多引線集成電路電路芯片的封裝問題。

第三階段是21世紀初開始的高密度封裝時代。隨著電子產(chǎn)品進一步向小型化和多功能化發(fā)展，依靠減小特征尺寸來不斷提高集成度的方式因為特征尺寸越來越小而逐漸接近極限，以3D堆疊、TSV(硅穿孔)為代表的三維封裝技術(shù)成為繼續(xù)延續(xù)摩爾定律的最佳選擇。

十大創(chuàng)新第八位：微處理器

中央處理器是指計算機內(nèi)部對數(shù)據(jù)進行處理并對處理過程進行控制的部件，伴隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，芯片集成密度越來越高，CPU可以集成在一個半導體芯片上，這種具有中央處理器功能的大規(guī)模集成電路器件，被統(tǒng)稱為“微處理器”。需要注意的是：微處理器本身并不等于微型計算機，僅僅是微型計算機的中央處理器。

微處理器從最初發(fā)展至今已經(jīng)有四十多年的歷史了，這期間，按照其處理信息的字長，微處理器可以分為：4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及64位微處理器，可以說個人電腦的發(fā)展是隨著CPU的發(fā)展而前進的。

由于微處理器可用來完成很多以前需要用較大設備完成的計算任務，價格又便宜，于是各半導體公司開始競相生產(chǎn)微處理器芯片。其中以英特爾公司的最為出名！

如今，微處理器已經(jīng)無處不在，無論是錄像機、智能洗衣機、移動電話等家電產(chǎn)品，還是汽車引擎控制，以及數(shù)控機床、導彈精確制導等都要嵌入各類不同的微處理器。微處理器不僅是微型計算機的核心部件，也是各種數(shù)字化智能設備的關(guān)鍵部件。國際上的超高速巨型計算機、大型計算機等高端計算系統(tǒng)也都采用大量的通用高性能微處理器建造。

十大創(chuàng)新第九位：VLSI與矽智財（IP）

VLSI是超大規(guī)模集成電路(Very LargeScale Integration)的簡稱，指幾毫米見方的硅片上集成上萬至百萬晶體管、線寬在1微米以下的集成電路。由于晶體管與連線一次完成，故制作幾個至上百萬晶體管的工時和費用是等同的。大量生產(chǎn)時，硬件費用幾乎可不計，而取決于設計費用。

超大規(guī)模集成電路是70年代后期研制成功的，主要用于制造存儲器和微處理機。超大規(guī)模集成電路研制成功，是微電子技術(shù)的一次飛躍，大大推動了電子技術(shù)的進步，從而帶動了軍事技術(shù)和民用技術(shù)的發(fā)展。超大規(guī)模集成電路已成為衡量一個國家科學技術(shù)和工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。也是世界主要工業(yè)國家，特別是美國和日本競爭最激烈的一個領域。

矽智財是指集成電路設計所涉及的知識產(chǎn)權(quán)，在現(xiàn)今的半導體產(chǎn)業(yè)，被用來指一種滿足特定規(guī)格、事先定義、設計、驗證、可重復使用的功能模塊；其在芯片設計中是專指具備特定功能的集成電路設計技術(shù)，且由設計人員開發(fā)出的一種模塊化功能元件，可與其他元件相配合，組成具備更復雜功能的IC。半導體產(chǎn)業(yè)界里大致都有著相當程度的認知，業(yè)界也常稱為IP和SIP（Semiconductor IP或 Silicon IP的縮寫）。

十大創(chuàng)新第十位：晶圓代工

晶圓代工或晶圓專工(Foundry)，半導體產(chǎn)業(yè)的一種營運模式，專門從事半導體晶圓制造生產(chǎn)，接受其他IC設計公司委托制造，而不自己從事設計的公司。

有些擁有晶圓廠的半導體公司，如英特爾(Intel)、AMD等，會因產(chǎn)能或成本等因素，也會將部份產(chǎn)品委由晶圓代工公司生產(chǎn)制造。臺積電、聯(lián)電為世界排名第一與第二的晶圓代工公司。反之，專門從事IC電路設計而不從事生產(chǎn)且無半導體廠房的公司稱為無廠半導體公司(Fabless)。

無廠半導體公司依賴晶圓代工公司生產(chǎn)產(chǎn)品，因此產(chǎn)能、技術(shù)都受限于晶圓代工公司，但優(yōu)點是不必自己興建、營運晶圓廠。

隨著芯片制成微縮、晶圓尺寸成長，建設一間晶圓廠動輒百億美金的經(jīng)費，往往不是一般中小型公司所能夠負擔得起;而透過此模式與晶圓代工廠合作，IC設計公司就不必負擔高階制程高額的研發(fā)與興建費用，晶圓代工廠能夠?qū)Ｗ⒂谥圃?，開出的產(chǎn)能也可售予多個用戶，將市場波動、產(chǎn)能供需失衡的風險減到最小。

總結(jié)

以上十大半創(chuàng)新對整個半導體產(chǎn)業(yè)的重要性不言而喻，同時對人類生活質(zhì)量的改變有極為突出的貢獻。

張忠謀表示，1985年之后雖然沒有重大的創(chuàng)新，但仍有許多創(chuàng)新處于現(xiàn)在進行式，包括2.5D/3D封裝、EUV微影技術(shù)出現(xiàn)、人工智慧及機器學習、碳導管及石墨烯等新材料。

整體來看，半導體產(chǎn)業(yè)會持續(xù)成長，預期半導體產(chǎn)業(yè)將以超過全球GDP成長的速度持續(xù)增長，產(chǎn)業(yè)將需要更多創(chuàng)新技術(shù)。