產業追蹤/半導體製程創新 拓展新藍海

半導體示意圖。 路透
半導體示意圖。 路透

自從摩爾定律提出後,一直以迅猛的速度推動科技進步。過去的摩爾定律透過半導體製程的微縮,每隔約二年時間,在同樣的晶片面積上,電晶片的數量將增加一倍。時至今日,半導體製程已接近物理極限,這導致半導體生產的複雜度增加和製造成本上升。為尋找新技術的成長機會,半導體產業必須找到可行的技術進步方向。

研究人員開始提出深度摩爾(More Moore)、超越摩爾(More than Moore)和新元件(Beyond CMOS)。深度摩爾和新元件屬於技術突破,技術實現時間不確定性高。

小晶片互連技術之系統級方案概念圖工研院/提供
小晶片互連技術之系統級方案概念圖工研院/提供

深度摩爾是指持續在製程技術上創新,推動積體電路的線寬持續縮小,由於半導體製程已接近物理極限,製程微縮面臨著愈來愈複雜的技術難題,導致技術突破時程不確定性增加。

新元件主要目的為開發出有別於CMOS的新型開關元件,以處理資訊。透過開發出具有更高性能、更低能耗、更高功能密度、穩定且適合大規模生產的元件,增加晶片的運算能力。找尋更好的元件屬於未來的探索,具極高的不確定性。

超越摩爾是透過封裝技術的創新,將不同製程的產品整合在同一封裝中,輔以晶片間高速傳輸技術,以實現過去單晶片的效能。此技術不僅將不同製程的產品整合至一個封裝,也可整合不同的晶片,使晶片具備多樣化的功能。超越摩爾還強調製程優化和系統算法優化的創新,以提升整體系統性能。雖然不同技術研發方向代表不同的機會和挑戰,但從目前狀況評估,超越摩爾的技術路線是滿足功能需求下最符合商業效益的路徑。

實現科技目標的道路不只是一種方式。人類都市化過程中,透過將模組化居住空間單元,垂直堆疊居住空間的公寓或大樓,可以在相同土地面積下容納更多的人口,半導體製程也是如此。當製程微縮面臨重大科技挑戰時,為實現技術目標,透過封裝技術的革新,是推動半導體持續進化的重要途徑。製程創新不再僅侷限於特徵尺寸的縮小,而是通過新穎的封裝技術,以超越平面結構來提升系統的整體性能和功能多樣性。

小晶片模式主要包含同質整合及異質整合兩種模式,同質模式指將先設計兩顆至多顆晶片,再用高階晶片整合技術接合成一個大晶片;而異質模式則是將不同類型的晶片,如邏輯晶片、記憶體晶片等以進行整合。

例如蘋果與台積電合作的自訂封裝技術UltraFusion,連接兩個M2 Max晶片推出M2 Ultra,屬於小晶片的同質模式;而整合CPU、AI 加速器與記憶體的AI晶片,屬於小晶片的異質模式。超微2020年推出小晶片產品,根據資料顯示,以小晶片生產的成本,在14奈米的情況下,相較於系統單晶片(SoC)設計方式節省近50%。

半導體產業正處於新的黃金時代,這個時代的晶片製造需要從傳統晶圓代工模式思維轉變成系統晶圓代工。只有透過小晶片技術與有效的整合晶片,才能滿足運算及多種應用場景的需求。

經濟部產業技術司致力推動半導體領域科技研發,確保台灣半導體技術領域在AI、高速運算(HPC)和物聯網(AIoT)等市場中抓住商機,並積極研發晶片異質整合技術,強化晶片多元能力,如感測、光通訊等。透過科技專案計畫兼顧小晶片核心技術開發、異質整合與系統整合等技術,協助台灣的半導體產業掌握市場的新藍海商機。

小晶片模式不僅帶來成本優勢,也帶來跨域應用的可能性,小晶片技術更適用於物聯網、嵌入式系統等複雜環境。透過小晶片技術,半導體產業能更靈活將晶片整合到不同的應用中,提供更多樣化的產品解決方案。

隨著半導體製程創新和小晶片技術的發展,以及AI技術的逐漸成熟,整合AI與物聯網的AIoT迎來更多的市場機會。AI加持讓物聯網裝置實現更多的智慧城市、智慧交通、智慧醫療與智慧生活等多種場景的應用。

創新的人機互動模式,跨越虛實的界線將帶來更多市場機會。科技專案持續支持工研院與業界,推動製程創新提升半導體跨域應用的優勢,透過產品整合、實地應用推動以及科技與生活融合等多方面,讓科技改善民眾的生活。

半導體製程創新帶來的跨域應用不僅涵蓋人們生活,更包含基礎如能源獲取、無線充電等,半導體產業將透過製程的創新和功能多樣性,為新興領域的發展提供重要支持。在製程創新和跨域應用的推動下,半導體產業有望引領未來的科技潮流,開創更繁榮的未來。

(作者是經濟部產業技術司產業技術基磐研究與知識服務計畫成員)

半導體 摩爾 晶片

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