在今年的VLSI WEEK大會上，如何突破‘後CMOS時代’半導體產業挑戰，以及因應各種消費及嵌入式設計興起，致使需求日益提升的‘高壓電子元件’，成為大會上主要討論的兩大主要議題。
由台灣工研院(ITRI)與國際電機電子工程師學會共同舉辦的VLSI WEEK今年已邁入第25屆，在超過半世紀的半導體發展歷史中，VLSI大會一直以探討超越當前5~10年的先進技術而成為整個半導體產業矚目的焦點。
然而，在2000年以後，半導體業面臨著獲利急速衰減、產品生命週期日益縮短、開發新材料，以及諸如經濟成長趨緩、原物料上漲，甚至次級房貸衝擊等經濟面的不同挑戰。這使得業者們面臨的情況不再僅側重於製程或材料科技的突破，而是必須從基本經濟環境開始，考量整體產業變遷並尋找新興需求，以應對產業景氣變化。
“對半導體產業而言，在揭開該產業序幕超過半世紀後，現在我們正在面對什麼挑戰？而哪些商機才是維持半導體產業未來成長的關鍵，是目前業界亟欲尋求解答的議題，”台積電(TSMC)董事長張忠謀在VLSI的一場專題演講上表示。
“保守預估，今年的半導體產業成長率也僅有5%，”張忠謀說。確實，在1950~1960年代，半導體產業的營收是以100%的成長率在增加的。但從1960年到2000年的這40年間，半導體產業的營收成長率卻維持在16%；而“從2000年至今，這個數字更是只能維持在5%~6%。”
此外，製造成本與設計複雜度，也對晶片業帶來了極大衝擊。張忠謀指出，在180nm、130nm、90nm、65nm世代，設計成本大約分別為500萬、900萬、1,800~1,900萬，以及4,600~4,700萬美元，差距幅度非常大。
在此同時，隨著設計複雜度的提升，晶片原型的製造成本也不斷提高。次奈米世代的指標之一，就是設計的管理成本變得更加複雜。在完成一項設計前，需要的項目包括強韌且可用的IP、可重用IP(如I/O/USB等)、元件庫、EDA工具、DFM設計方案、設計服務以確保高品質設計等。這意味著代工廠的角色也正隨著半導體產業的遷移而產生變化，除了製程本身以外，代工廠不僅提供晶圓代工服務，還必須提供平台，以便從頭開始就與客戶密切合作。
圖：汽車半導體市場需求及成長情況。
這種業務模式在近幾年快速推動了晶圓代工的成長。“晶圓代工的產值一直優於半導體市場，”張忠謀說。全球晶圓代工產值年複合成長率約17%，而台積電的年複合成長率則達到了43%，“晶圓代工仍然優於整體半導體市場。”
在晶圓代工以外，整個半導體市場都在尋求可支撐未來幾年發展的關鍵應用。就應用面來看，汽車、手機與儲存是當前驅動半導體產業發展的三大主軸。特別是汽車產業，在半導體製程與技術進展的雙重推動下，近年來汽車電子已成為業界炙手可熱的話題。
“過去15年來，汽車產量增加了44%，同一期間，汽車的電子化部份提提高了155%，而內含的半導體則增加了325%，”英飛凌(Infineon)公司銷售副總裁Anton Mueller說。“今天，每部汽車內使用的半導體已達320美元，預計2020年該數字將成長到700美元。”
然而，在此同時，Mueller也指出汽車產業正受到強大且經常是相互矛盾的力量所驅動，一方面，人們希望汽車是環保的、價格可負擔的，但另一方面，人們卻又要求汽車必須具備足夠的安全性、高品質、娛樂性、舒適性──當然，這些都必須在一個可平衡的成本效益範圍內實現。
汽車的電子化程度正在驚人的速度成長，目前，汽車上已實現了電子化的動力傳動、安全管理、車身控制、便利性與資訊系統。同時，汽車產業也正在採用標準化的方法，以管理日益提升的設計複雜度。
“與消費性商品不同，汽車電子的產品週期長達了約15年，這意味著半導體供應商必須同時提供最新與較舊的製造技術，以滿足不同壽命階段的汽車電子產品需求，”Mueller說。
另一方面，汽車的電子化也為改善能效與降低二氧化碳排放賦予了全新的發展機會。據歐洲汽車公會(ACEA)預計2008年二氧化碳排放量為140g/km；2012年時預計降低至120g/km。
除了降低排放，因應當前能源危機，提升汽車能效也成為迫切需求。“從機械式系統過渡到電子系統，將有助於增加能源效率，”Mueller指出。例如，在今天的豪華車款中，大約有80個ECU透過多種匯流排與閘道進行連接。另外，今天的汽車也使用了大量感測器，以測量位置、速度、加速度、壓力、溫度等物理資訊。
這些日益增多的電子元件所帶來的首要工程挑戰是：如何在汽車內建置一個全新的架構？“到2010年，汽車中的動力傳動、車身、安全系統、資訊娛樂、底盤等各種不同應用，都會朝‘一種功能、一顆ECU’的方向發展，”Mueller表示。因此，汽車電子業正致力於提升元件間的傳輸效率與頻寬，如採用高速骨輸匯流排技術FlexRay，以便為未來汽車打造一個高效的電子化系統。
新興記憶體技術浮現
在今年的VLSI大會上，新興記憶體技術是另一個眾所矚目的焦點。三星(Samsung)公司院士Kinam Kim在談到新一代非揮發性記憶體(NVRAM)時指出，由於具備小型單元及可擴展性、快速隨機存取及寫入速度、更長的資料保存時間，以及優異的擦除/編程特性，相變記憶體(PRAM)在新一代NVRAM技術競爭中正受到密切矚目。
Kim表示，PRAM通常使用硫族化合物(GeSbTe，簡稱GST)合金作為記憶體單元。這種材料的相變取決於電流與冷卻率所產生的焦耳熱。透過適當地控制加熱電流，將能反轉GST的非晶(重置)或結晶(設定)狀態。最近，採用二極體開關的512Mb PRAM已運用90nm技術節點進行了展示，而持續朝45nm乃至於65nm發展，也許有助於PRAM具備與既有非揮發性NOR快閃記憶體競爭的優勢。
Kim指出，就記憶體單元開關裝來來說，二極體類的開關元件可持續微縮至30nm。而就PRAM電阻而言，目前還不清楚在微縮至30nm甚至以下技術節點時是否會遭遇物理極限。不過，PRAM也正面臨如何減少重置期間內寫入電流的挑戰。為減少重置編程電流，目前業界正在開發多種架構與材料。
舉例來說，環形BEC架構透過不加重接觸範圍內變異性來減小接觸面積，有效地提升了熱隔離。此外，在GST合金中導入氮和氧等雜質以增加其阻力，因為這些雜質有助於抑制GST膜間的空缺並實現更小的粒度尺寸。透過這些努力，PRAM正在趨近商業化。Kim同時預言，PRAM在取代NOR快閃記憶體上擁有良好機會，但他並不認為PRAM能同時取代DRAM/NAND快閃記憶體，因為其耐久性與單元尺寸仍需改善。
看好PCM的發展潛力，由工研院與國內記憶體廠商力晶、南亞、茂德及華邦合組的PCM研發聯盟，也已展現了初步成果。工研院電光所所長詹益仁指出，PCM研發聯盟已開發出4Mb的PCM產品，不論是在寫入電流上、耗電上、產品體積上與寫入速度上，均已經能與國際半導體大廠匹敵。
作者：鄧榮惠
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