年關(guān)將至，IEEE（電氣電子工程師學(xué)會）的旗艦雜志 IEEE Spectrum 盤點(diǎn)了 2024 年行業(yè)內(nèi)的十大動向，涵蓋主要的技術(shù)進(jìn)步、頭部半導(dǎo)體企業(yè)動態(tài)以及行業(yè)競爭格局等內(nèi)容，文章編譯如下：
1. 邁向萬億晶體管 GPU
如果臺積電高管的預(yù)測是正確的，那么萬億晶體管 GPU 將在十年內(nèi)實現(xiàn)。
現(xiàn)階段，用于人工智能訓(xùn)練的 GPU 性能已經(jīng)達(dá)到極限，其晶體管數(shù)量大約是 1000 億個。持續(xù)增加晶體管數(shù)量的趨勢將需要多個芯片，通過 2.5D 或 3D 封裝從而執(zhí)行計算。
半導(dǎo)體技術(shù)已從 2D 封裝轉(zhuǎn)向 3D 封裝，如臺積電 CoWoS 技術(shù)可以突破光刻掩模版限制集成多芯片，已經(jīng)被應(yīng)用于英偉達(dá) Ampere 和 Hopper GPU，且從 7nm 到 4nm 技術(shù)轉(zhuǎn)變使相同面積晶體管數(shù)量增加。
HBM 等芯片堆疊技術(shù)對人工智能也很重要，未來 3D SoIC 技術(shù)有望提供更密集的垂直互連。AMD MI300A 利用 3D 封裝技術(shù)結(jié)合 GPU、CPU 及 HBM 處理人工智能工作負(fù)載，通過 2.5D 或 3D 封裝技術(shù)集成多芯片可實現(xiàn)超 1 萬億晶體管 GPU，且垂直互連密度有望大幅提升。
GPU 性能在過去 15 年內(nèi)，每兩年提高約三倍，未來先進(jìn)封裝技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化等將繼續(xù)推動其提升。
2. 超亮激光器有望取代二氧化碳激光器
半導(dǎo)體激光存在過暗的缺陷，限制了其在材料加工和激光雷達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用，而其他類型的超亮激光如二氧化碳激光和光纖激光又存在體積大、成本高、能效低和難控制等問題。
京都大學(xué)團(tuán)隊研發(fā)的光子晶體面發(fā)射激光器（PCSEL）突破了傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光的亮度限制，其獨(dú)特構(gòu)造是在活性夾層之間增加了帶納米孔的光子晶體層，通過調(diào)節(jié)孔的間距和形狀控制光在激光內(nèi)的傳播，使其僅在基模下振蕩，從而產(chǎn)生強(qiáng)大且窄的光束，實現(xiàn)高亮度。2023 年研制出亮度達(dá) 1GW/cm 2 /sr 的 PCSEL，可切割鋼鐵。
高亮度 PCSEL 可用于制造更小更便宜的自動駕駛汽車和機(jī)器人傳感器系統(tǒng)，實現(xiàn)片上光束轉(zhuǎn)向，還有望取代芯片制造中的極紫外光刻機(jī)中的二氧化碳激光器，助力核聚變和太空光推進(jìn)等，應(yīng)用前景廣闊。
3. 英特爾重啟芯片制造
過去五年英特爾在先進(jìn)芯片制造方面落后于臺積電和三星，為重新領(lǐng)先，其在 2024 年底推出的桌面和筆記本 Arrow Lake 處理器中采用兩項新技術(shù)，即新的晶體管技術(shù) RibbonFET（納米片晶體管）和首創(chuàng)的背面供電系統(tǒng) PowerVia，希望借此超越競爭對手。
英特爾在過去二十年曾引領(lǐng)晶體管架構(gòu)變革，但同樣面臨很多問題，如 2018 年 10 納米 CPU 延遲交付、14 納米 CPU 缺貨以及 2020 年 7 納米節(jié)點(diǎn)也推遲。
RibbonFET 將取代 FinFET 技術(shù)，其柵極能更好地控制電流，在英特爾 20A 處理節(jié)點(diǎn)引入時預(yù)計能效提升 15%。PowerVia 是更重大的改變，首次利用晶圓背面分離電源和處理，因電源線和信號線優(yōu)化需求不同，這種解耦很重要。
大約五年前，英特爾決定同時引入兩項技術(shù)，這是非常冒險的舉措，此前英特爾較保守，現(xiàn)在情況反轉(zhuǎn)。為降低 20A 節(jié)點(diǎn)風(fēng)險，英特爾增加內(nèi)部節(jié)點(diǎn)將 PowerVia 與當(dāng)前 FinFET 配對，測試表明單獨(dú)添加 PowerVia 性能提升 6%，但制造過程仍面臨芯片正反面納米級垂直連接器對準(zhǔn)鏈接及保持硅片兩面平坦等挑戰(zhàn)，且成本改進(jìn)趨緩，設(shè)計人員也需重新思考互連線和布局。
4. 佐治亞理工研發(fā)出世界首個石墨烯制成的的功能半導(dǎo)體
世界首個石墨烯半導(dǎo)體芯片基于外延石墨烯與碳化硅化學(xué)鍵合的碳晶體結(jié)構(gòu)，名為半導(dǎo)體外延石墨烯（SEC），相比傳統(tǒng)硅電子遷移率更高，能讓晶體管在太赫茲頻率下運(yùn)行，速度比當(dāng)前硅基晶體管快 10 倍。
半導(dǎo)體中硅在速度等方面已接近極限，石墨烯導(dǎo)電性更好，但此前由于缺帶隙（能量間隙）難用于電子器件，以往化學(xué)方法制造帶隙有遷移率低等問題，機(jī)械變形制造帶隙雖有成果但帶隙小且遷移率信息不足，SEC 在無缺陷碳化硅平臺制得大面積半導(dǎo)體且碳化硅與傳統(tǒng)微電子加工方法兼容。
5. 英特爾代工技術(shù)的巔峰
英特爾將獲得更多客戶的希望寄托于其 18A 工藝，該工藝結(jié)合了納米片晶體管和背面供電。但關(guān)于客戶計劃用這項技術(shù)構(gòu)建什么產(chǎn)品，目前還沒有很多細(xì)節(jié)。
在 Clearwater Forest 服務(wù)器 CPU 中，納米片晶體管將帶來更高的性能和更低的功耗，使得芯片在處理復(fù)雜計算任務(wù)時能夠更加高效地運(yùn)行，滿足數(shù)據(jù)中心對高性能計算的不斷增長的需求。背面供電技術(shù)則能夠優(yōu)化電源傳輸，減少信號干擾，進(jìn)一步提升芯片的穩(wěn)定性和可靠性。
6. 全球芯片公司挑戰(zhàn)英偉達(dá)
有人能打敗英偉達(dá)嗎？這是很多媒體 2024 年的關(guān)鍵選題，我們的答案是：很有可能。這完全取決于你想在什么方面擊敗英偉達(dá)。以下是對英偉達(dá)潛在競爭對手公司的梳理：
AMD：擁有廣泛的 GPU 產(chǎn)品線，且是高帶寬內(nèi)存的早期支持者，其即將推出的 Instinct MI325X 備受期待，不過軟件生態(tài) ROCm 與 CUDA 相比太落后。
Intel：Intel2018 年推出的 OneAPI 可跨多類硬件加速 AI 任務(wù)，但后續(xù)硬件發(fā)布計劃不明。其計劃推出的 Falcon Shores 芯片架構(gòu)和性能細(xì)節(jié)尚未公布，預(yù)計 2025 年末發(fā)布。
Qualcomm：AI 戰(zhàn)略側(cè)重特定任務(wù)的推理和能效，在智能手機(jī)、平板電腦、AI 輔助駕駛等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但缺乏用于 AI 訓(xùn)練的大型前沿芯片。
Broadcom：在網(wǎng)絡(luò)通信芯片方面技術(shù)強(qiáng)、市場份額高，能提供高速穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)連接助力 AI 數(shù)據(jù)傳輸，產(chǎn)品線豐富、供應(yīng)鏈管理強(qiáng)，但 AI 核心計算能力相比專業(yè)廠商較弱，在深度學(xué)習(xí)硬件優(yōu)化和軟件生態(tài)建設(shè)上相對滯后。
Groq：專注于 AI 推理性能，其架構(gòu)緊密結(jié)合內(nèi)存和計算資源，使用 14 納米技術(shù)的芯片在運(yùn)行 Meta Llama 380 億參數(shù)模型時推理速度超 1250 tokens/ 秒，性能出色，但目前應(yīng)用限于推理。
Cerebras：Wafer Scale Engine 系列芯片規(guī)模巨大，WSE - 3 有 4 萬億晶體管，遠(yuǎn)超英偉達(dá) B200。但受制于芯片尺寸、成本和專業(yè)性，應(yīng)用領(lǐng)域較窄，主要面向特定客戶如美國國防部等。
超大規(guī)模云計算公司：包括亞馬遜、谷歌、微軟等，為滿足自身及云計算客戶需求自行設(shè)計芯片，如谷歌的 TPU、亞馬遜的 Trainium 和微軟的 Maia 等。雖不直接向客戶銷售硬件，但通過云服務(wù)提供使用途徑，與英偉達(dá)等形成競爭。
7. 印度向半導(dǎo)體行業(yè)投資 152 億美元
2024 年，印度政府批準(zhǔn)了一項對半導(dǎo)體行業(yè)的重大投資，投資額度達(dá)到 1.26 萬億印度盧比（約 152 億美元），希望通過此舉加強(qiáng)印度在半導(dǎo)體領(lǐng)域的獨(dú)立程度。主要項目包括建立印度首個先進(jìn)芯片代工廠和兩座封裝測試設(shè)施，這些項目計劃將在 100 天內(nèi)開始動工。
臺灣晶圓代工廠力積電（PSMC）董事長 Frank Hong 稱：" 一方面，印度擁有龐大且不斷增長的國內(nèi)需求，另一方面，全球客戶正在關(guān)注印度的供應(yīng)鏈彈性，現(xiàn)在是印度進(jìn)入半導(dǎo)體制造業(yè)的最佳時機(jī)。"
印度首個先進(jìn)芯片代工廠是臺灣力積電和印度塔塔電子 110 億美元的合資項目，能生產(chǎn) 28、40、55 和 110 納米芯片，月產(chǎn)能 5 萬片晶圓，其技術(shù)雖非最前沿，但應(yīng)用廣泛且針對芯片短缺的核心領(lǐng)域，預(yù)計將創(chuàng)造超 2 萬個技術(shù)崗位。
在封裝測試設(shè)施方面，塔塔電子將投資 32.5 億美元建廠，計劃拓展先進(jìn)封裝技術(shù)，預(yù)計 2025 年投產(chǎn)，創(chuàng)造 2.7 萬個就業(yè)崗位；日本瑞薩電子、泰國 Stars Microelectronics 和印度 CG Power and Industrial Solutions 合資 9 億美元建廠，提供引線鍵合和倒裝芯片技術(shù)，CG 占股 92%，此外美光公司也在此有建設(shè)計劃。
印度此前吸引芯片企業(yè)舉措失敗后改進(jìn)了激勵政策，現(xiàn)在印度半導(dǎo)體市場增長迅速，預(yù)計 2026 年增長至 640 億美元，2030 年達(dá) 1100 億美元（占全球 10%）。
8. 混合鍵合在 3D 芯片中扮演重要角色
混合鍵合技術(shù)將兩個或更多芯片堆疊在同一封裝內(nèi)，從而增加處理器和內(nèi)存中的晶體管數(shù)量。
在五月的 IEEE 電子元件與技術(shù)會議（ECTC）上，全球研究團(tuán)隊展示了對混合鍵合技術(shù)的多項改進(jìn)成果，其能在每平方毫米硅片上實現(xiàn)約 700 萬連接。混合鍵合在先進(jìn)封裝行業(yè)增長迅猛，預(yù)計 2029 年市場規(guī)模將達(dá) 380 億美元。
研究人員將繼續(xù)攻克混合鍵合連接間距問題，臺積電等計劃引入背面供電技術(shù)助力提升，未來甚至可能實現(xiàn)電路塊跨晶圓 " 折疊 " 及不同材料間的混合鍵合，其發(fā)展前景廣闊且速度很快。
9. 摩爾定律的未來：粒子加速器
英特爾、三星、臺積電和日本 Rapidus 等公司在增加芯片每平方毫米晶體管數(shù)量時，都依賴復(fù)雜昂貴的極紫外（EUV）光刻技術(shù)。
當(dāng)前 EUV 系統(tǒng)由 ASML 制造，其雖使芯片制造進(jìn)入新階段，但存在諸多問題，如光源亮度低、未來精細(xì)圖案制作需更高功率光源、污染、波長純度、反射鏡收集系統(tǒng)性能及高運(yùn)營成本。
日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK）的研究人員認(rèn)為利用粒子加速器的自由電子激光（FEL）可以降低 EUV 光刻的成本，而且更加高效，能量回收型直線加速器（ERL）有望讓 FEL 更經(jīng)濟(jì)性地產(chǎn)生數(shù)十千瓦 EUV 功率，驅(qū)動下一代光刻機(jī)，降低芯片制造成本。
10. 下一波晶圓級處理器浪潮
在臺積電北美技術(shù)研討會上，其公布了半導(dǎo)體和芯片封裝技術(shù)路線圖。芯片封裝技術(shù)促使處理器向更大硅片規(guī)模發(fā)展，可能催生晶圓級系統(tǒng)。過去芯片制造商靠縮小晶體管和互連尺寸提升處理器邏輯密度的方法已乏力，行業(yè)轉(zhuǎn)向先進(jìn)封裝技術(shù)，臺積電已為 Cerebras 制造晶圓級 AI 處理器。
2027 年，晶圓級系統(tǒng)將實現(xiàn)類似 Si-IF 技術(shù)，UCLA 團(tuán)隊正在實現(xiàn)提升互連密度、添加如電容、電感和氮化鎵功率晶體管等功能。AI 訓(xùn)練是晶圓級技術(shù)的首要應(yīng)用，但還有其他應(yīng)用，如伊利諾伊大學(xué)香檳分校團(tuán)隊設(shè)計的用于數(shù)據(jù)中心的晶圓級網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，可大幅減少大型數(shù)據(jù)中心所需高級網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)數(shù)量。
