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摩爾定律還沒走到盡頭?盤點半導體未來的三大挑戰

111/05/30 瀏覽次數 3576
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圖一:摩爾定律預測指的是晶片上可容納的電晶體數量,每兩年變成 2 倍。(影像來源:Shutterstock)

生活在臺灣的我們,都知道半導體是我們的護國產業, 也因此大家格外關注這個產業是否能夠「壽比南山」。當聽到半導體奉為圭臬的摩爾定律(Moore’s Law)似乎走到盡頭時,令人不禁擔心半導體產業還有未來嗎?先說答案是「有」,因為延續摩爾定律並非不可能,況且還有「超越摩爾定律(More than Moore)及後摩爾定律(Beyond CMOS)。

首先,來看看摩爾定律究竟為何?為何如此重要?

1965年,在那個半導體產業開始在國外嶄露頭角,而臺灣的新竹科學園區還未成立的年代,半導體先驅企公司英特爾(Intel)的共同創辦人戈登.摩爾(Gordon Moore)於《電子學》(Electronics)雜誌首度提出對於晶片容納電晶體數量增加速度的觀察及預測。至1975年,他做了修正,形成至今大家熟悉的摩爾定律。

摩爾定律預測指的是晶片上可容納的電晶體數量,每兩年變成2倍,這也就意謂電腦的運算速度每隔兩年會變成2倍;同樣運算速度的晶片價格每2年會變成二分之一。談到摩爾定律時一定會提到的另一理論:晶片效能每 18 個月便為2倍,則是由曾任英特爾執行長的大衛.豪斯(David House)提出。

摩爾定律真的已經走到盡頭?

摩爾定律提出至今已逾 50 年,回首望去,半導體發展果然一如摩爾定律的預測。由於晶片效能愈趨強大、價格不斷降低,帶動了個人電腦、智慧型手機等各種數位科技持續創新,進而驅動了社會改革和經濟成長。依循摩爾定律發展的半導體,改變了人類生活面貌,甚至是整體文明進程,這種說法並不為過。因此,如果摩爾定律走到盡頭,不就意謂人類文明將止步不前?

摩爾定律之所以有走到盡頭的疑慮,是因為當製程技術來到奈米等級,電晶體裡的原子數量開始愈變愈少、科技逐步走進量子層級,近年效能進展逐漸放慢,專家預測摩爾定律終將會迎來尺寸微縮的物理極限。

NVIDIA 執行長黃仁勳於 CES 2019 展會上,明確指出「摩爾定律結束了。」甚至摩爾本人也在 2005 年發出聲明表示「摩爾定律已死」,並預言未來 10 到 20 年內,也就是最晚於2025年將抵達極限,不過這項說法並未得到台積電認同。

在 2019 年台積電運動會上,創辦人張忠謀以「山窮水盡疑無路,柳暗花明又一村」來形容摩爾定律的發展。老路走不通,那就另闢蹊徑吧!半導體業界目前正在探索各種可能性,突破點包括 EUV(Extreme Ultraviolet)曝光技術、先進封裝技術、晶片結構從 2D 走向 3D,甚至是量子現象的二次介入等,許多令人興奮的創新都正在發生中。

半導體未來三大挑戰,優秀人才是關鍵

展望未來,未來半導體產業發展目前正面臨三大挑戰,除了摩爾定律的持續延伸(More Moore),還包括應用導向的超越摩爾定律(More than Moore)、後摩爾定律時代(Beyond CMOS)。

為了規避物理極限,「超越摩爾定律」成為業界一致努力研究的目標。製程微縮做不到的事,改用 3D-IC 堆疊技術來達成。藉由垂直疊加各晶片層,進而提高單位面積的元件數量及整合不同功能元件,使得製作成本下降,且金屬導線連線距離縮短,減少電子訊號的延遲,更能滿足半導體下一波殺手級應用 - 物聯網晶片與人工智慧晶片的高速、省電需求。

後摩爾定律時代,主要指化合物半導體的發展。相較於大家熟知的矽半導體,氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)及磷化銦(InP)等化合物半導體更適用於通訊 5G/6G、電動車及快速充電等新興應用,因此被視為半導體的明日之星。

半導體產業的未來充滿無限可能,臺灣更是全球半導體產業的重心所在。為滿足產業人才需求,許多大學持續強化半導體人才的培育。近期在政府、學校及知名半導體企業的共同支持下,國內多家頂尖大學相繼成立半導體學院,吸引優秀人才攻讀碩博班,未來進入半導體產業,為人類文明的前進貢獻力量。

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