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然后，有三个
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集成电路年复一年的不断改进并不便宜。多年来，这些进步在一定程度上是由硅晶圆厂推动的，这些晶圆厂通过整合没有自己工厂的设计公司的需求来投资新技术。然而，截至去年夏天，只有一家这样的“纯”代工公司继续追求最新的硅一代，以及两家自己生产芯片的公司。供应商的减少让人们重新思考了一个长期存在的问题:在物理限制最终导致进一步收缩不可能(或成本高得不可思议)的情况下，该行业如何适应。
尽管如此，这个故事听起来还是很熟悉。“每当人们说摩尔定律最终碰壁时，人们就会想出新的、创新的方法来绕过它，”哈佛商学院管理实践教授威利·施(Willy Shih)说。
硅行业一直在追踪1965年英特尔(Intel)联合创始人、后来的负责人戈登•摩尔(Gordon Moore)的观察，他认为晶体管数量每年都在翻一番(后来改为每两年翻一番)。这种指数级增长被奉为一种“法则”，成为一种集体的自我实现预言，因为企业担心如果落后于其激进的计划，就会失去业务。连续几代都被标记为不断缩小的距离，目前为7纳米，尽管这个标记很久以前就失去了与晶体管栅极长度或其他特征的明确关系。在20世纪90年代，摩尔定律在国家半导体技术路线图(1998年后成为国际)中正式确立，该路线图阐明了制造商、设备供应商和学术研究人员需要做些什么来保持行业的正轨。
不幸的是，晶体管数量呈指数级增长的同时，建造制造工厂、开发更激进的工艺和新颖的设备结构的成本也相应增加。长期以来，这些成本以及保持昂贵设备持续使用的需要，使得一家较小的公司几乎不可能自己制造一种新颖的芯片设计。保罗·加吉尼说:“为不断增长的市场和推动前沿研究而进行的资本投资，只能由一家收入丰厚的公司来支持，”年收入可能在300亿美元或更多。“这只是大公司的游戏，”曾在英特尔任职的加吉尼说，他领导了英特尔最近重生的正式路线图，即国际设备与系统路线图(IRDS)。
尽管如此，当GlobalFoundries在2018年8月宣布停止其7纳米工艺的开发时，“这对很多人来说是相当震惊的，”Shih说。这家代工公司最初计划在2018年春季进行7nm产品的早期生产，并放松质量保证，直到最近似乎都很坚定。目前，唯一一家开发前沿技术的纯代工企业是台积电(TSMC)，其7纳米工艺已于2018年初投入生产。除了台积电之外，三星也在2018年秋季宣布，已准备好冒险生产7nm芯片。三星除了制造自己的芯片外，还拥有重要的代工业务。英特尔目前的10nm制程通常被认为与台积电的7nm制程类似，该公司将大部分注意力放在了自己的芯片上。
最前沿的铸造厂
台积电在1987年率先提出了纯代工的概念。加吉尼说，在此之前，“如果你有一个新想法，你真的没有一个地方可以测试它”，而不花钱去专门的工厂。他说，代工产能的出现是“这个行业可能发生的最好的事情”。“如果我们没有这个模型，iPhone就不会存在。”
起初，台积电复制了较老的、利润较低的技术，并通过“从领先的半导体公司吸收不合格的产品”来发展壮大。Gargini说。然而，“到2000年左右，他们已经进入了领先公司的射击范围。”
后来的铸造厂大多局限于追随领导者，但GlobalFoundries似乎有更高的抱负。该公司成立于2009年，前身是英特尔的主要竞争对手AMD的制造业务。该公司还收购了新加坡特许半导体公司，并在2015年增加了IBM的制造业务。
尖端半导体制造成本高昂且具有挑战性，这是AMD和IBM剥离这部分业务的原因之一。进入20世纪90年代，摩尔定律基本上可以通过“缩放”来实现，遵循IBM的罗伯特·登纳德(Robert Dennard)在1974年制定的规则，通过缩小横向尺寸、缩小层厚度和增加掺杂密度来制造更好的晶体管。在晶圆的表面积上封装更多的晶体管还能带来诸如降低晶体管成本、更高的速度和更低的功耗等好处。
整合对美国半导体制造业来说是“麻烦”，因为“世界上大量先进的代工产能都掌握在台积电手中”。
然而，持续的指数收缩使晶体管与基本物理极限发生了冲突，例如只有几个原子层厚的栅氧化物，以及大漏电流和微型器件中的其他非理想现象。为了避开这些限制，在21世纪初，制造商们引入了多项革命性的创新，如高介电常数(高k)栅极介质、金属栅极、应变硅和被称为finfet的非平面晶体管。
需要更多的创新，包括工艺技术。尤其具有挑战性的是印刷电路的光刻技术，它使用越来越短的紫外线波长来创造更小的特征。这种收缩在193nm波长处停滞了数年，因为下一个巨大的跳跃，到13.5nm的极紫外线(EUV)，需要不同的光源、光学和曝光技术。相反，设计师们利用液体浸泡、多次曝光和其他技巧来延长193nm光刻。随着7nm一代的出现，EUV最终被用于一些加工水平，但经济上可行的吞吐量和产量不会轻易实现。
落砂
这些挑战并不新鲜，但企业退出领先优势提出了一个“非常合理的问题，”施说。“如果竞争减少，我们是否会减少开拓新领域的力度?”到目前为止，仍然有多个供应商。
“只要你有两个，就足够了;如果有三个，那就太棒了，”加吉尼说。“三星可以做很多台积电可以做的事情”，台积电的领先地位已经意味着“GlobalFoundries做的事情没有什么特别的，”加吉尼说。例如，AMD已经在台积电生产了许多最先进的中央处理器(cpu)和图形处理单元(gpu)。
尽管如此，施崇信指出，这种整合对美国半导体制造业来说是“麻烦”的，因为“世界上大量先进的代工产能都掌握在台积电在台湾的三个晶圆厂”。他补充说，“那些担心国防工业基础的人非常关心这个问题。”
可以肯定的是，GlobalFoundries和其他公司(包括台积电)仍然可以利用旧技术制造出非常强大的产品。此外，Shih指出，“有些人说，一旦我们低于14纳米，或甚至高于22纳米，每个晶体管的单位成本停止下降，并开始再次上升。”因此，“越来越多的用户说，‘尖端工艺太贵了，我其实不需要它，’”他说，除非他们是“为手机、fpga或英特尔微处理器等尖端产品制造产品，这些产品确实需要极致的性能和功率。”
事实上，一个专门从事数字逻辑的制造商可能不需要广泛的流程。相比之下，晶圆厂支持一系列设备，如图像传感器，以及模拟、射频和超低功率电路的设备。对设计师来说，在一个允许多个客户使用的设计环境中可靠地实现这种混合匹配流程通常比使用最新一代技术更重要。例如，虽然台积电的7nm工艺拥有数十家高端客户，但它仍在继续支持老一代工艺，甚至是20年前推出的180nm工艺，这对许多客户来说已经足够好了。
不过，如果前沿技术发展放缓，可能会给包括中国大陆企业在内的其他企业带来更多竞争机会。“中国在领先技术上遇到了麻烦，但他们正在赶上一些落后的技术，”Shih说。“推动台积电的是来自GlobalFoundries的竞争减少;而是来自中国制造2025(中国旨在提高国内制造业竞争力的计划)的竞争。”
一个光明的未来?
但最终，再多的创新也无法永远保持指数级增长。逻辑设计人员“正在等待EUV来拯救游戏，”加吉尼说，但即使先进光刻技术能买几年时间，“这种解决方案也会结束。”他推测，也许在2020年或2021年，“三星、台积电或英特尔，其中一家将宣布他们的下一个产品是3D的，”这将通过垂直堆叠提供更多的晶体管。内存制造商(包括三星)已经开始引入3D结构，通过堆叠处理过的层和增加多层设备(参见《电子设备正在离开飞机》，通信, 2018年8月)。内存对于3D结构有特殊的优势，比如均匀和冗余的布局，以及低功耗(因为大多数晶体管都是空闲的)。
相比之下，在逻辑应用中，更多的晶体管是有源的，即使在更容易冷却的平面布局中，去除它们产生的热量也是一个巨大的挑战。到目前为止，逻辑公司正在用先进的封装技术测试gpu和其他高性能产品在3D领域的应用。Gargini说:“我们仍然可以在2D游戏中再挤出两到三代。”但是他认为3D游戏是不可避免的，它的性能还会再增长15年。他说，“3D技术并不是真正意义上的革命”，也不像行业已经实施的工艺创新那样有风险。“大公司可以在任何时候决定这么做。”
半导体行业面临的挑战，我们可以将其视为摩尔定律的终结。尽管如此，更好的产品仍然有持续的机会，到目前为止，仍然有代工公司准备和能够实现新的设计。“未来是光明的，”加吉尼坚持说。“我认为这是一个很好的平衡。”
进一步的阅读
国际设备与系统路线图2017年版https://irds.ieee.org/roadmap-2017
史文昌，钱志福，史文昌，张杰。
台积电之路:台积电满足客户需求，哈佛商学院案例集610-003,2009年8月，https://www.hbs.edu/faculty/Pages/item.aspx?num=37868
梦露,D。
电子设备正在离开飞机，通信2018年8月,//www.eqigeno.com/magazines/2018/8/229776-electronics-are-leaving-the-plane/fulltext
©2019 0001 - 0782/19/06 ACM
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