为什么人工智能很重要,人工智能为什么需要高制程芯片

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从2017到2018年人工智能为什么需要高制程芯片，全球IC制造产业资本投资规模达到高峰，近两年总投资均超过920亿美元规模。目前中国台湾IC制造产业仍以晶圆代工贡献最主要产值，随着创新应用的发展，对于制程的需求也一直不断攀升，纵观2018年后的应用趋势，半导体发展将更加多元，随着先进制程来到10纳米之下，制程微缩瓶颈浮现，同时复杂的图形造成曝光次数增加，光罩成本随之倍增，让半导体产业向来信守的摩尔定律（Moore’s Law）变得窒碍难行，极紫外光(extreme ultraviolet人工智能为什么需要高制程芯片；简称EUV)E技术被视为摩尔定律继续往下走的关键，EUV制程技术势在必行。

　　新应用对IC制造技术的影响

随着7纳米之后的解决方案讨论开始浮上台面，EUV微影技术等设备将加速2019年之后先进制程的量产。EUV微影技术的实用化，需整合研发光源、光学系统、光罩、光阻、曝光装置等各项技术，然而制程微缩除人工智能为什么需要高制程芯片了对制程稳定度带来压力外，在成本控管上亦是相当严肃的课题。采用新式材料与技术成为研发的另一方向，纳米碳材、宽能隙材料的导入，将有助于延续摩尔定律。

台湾地区工研院产业经济与趋势研究中心（IEK）资深产业分析师刘美君指出，纵观2018年以后的趋势，会发现人工智能、物联网、智慧汽车、高速运算等应用，将促进半导体产业发展更多元。未来AI将整合IoT技术发展，应用以工业、智慧城市等领域为主，分析各公司AI芯片发展，会发现所需制程几乎还是以10纳米以下为主流；但并非所有产业都需要最先进的制程，预估到2021年，45纳米和22纳米仍是产能占比最多的制程，在发展上最成熟稳定、良率亦是最高；10纳米和14纳米制程会成为要角，有急速攀升的趋势，而年复合成长率最快的则是7纳米制程。

　　导入EUV技术，仍有诸多难题

在过去两年间，台积电为了拉大和竞争对手的距离，着重在10纳米以下制程能力的提升，特别是7纳米与5纳米量产技术的研发生产。对晶圆代工产业而言，制程能力将影响未来客户下单的选择，但关键在于良率够高、速度要够快，客户对于7纳米世代的制程需求亦有极高的期待，为了突破微缩制程在7纳米的瓶颈，EUV技术的需求因此产生。

但就现阶段来看，要藉由EUV实现7纳米以下微缩制程，仍有许多棘手的问题待克服。除了生产性降低、成本增加、产能对半砍，EUV还有曝光装置耗电太大的问题。刘美君进一步解释，假设EUV光源效率以0.1%来计算，若期望输出功率为150W的EUV光源，则需使用150kW的电力，以一般量产所需10台曝光机的基本数量来看，则需消耗1500kW电力。先前媒体曾报导，全台湾用电过去五年的增加量，约三分之一由台积电贡献，导入EUV微影技术后用电还会暴增，根据台积电评估，计划于2020年量产的5纳米制程，用电会是目前主流制程的1.48倍 。

此外，还有光罩防尘薄膜的难题存在。使用薄膜（Pellicle）最主要有两种目的，除了增加芯片生产良率，还能减少光罩于使用时的清洁和检验，不过在高功率的EUV光源下，Pellicle也有可能从自身产生微尘（Particle），造成光罩的污染，因此EUV若要进入量产，微尘的控制就会变得非常重要。

　　摩尔定律的三种发展方向

1975年，英特尔（Intel）创办人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出摩尔定律：随着制程的进步，集成电路上可容纳的电晶体数目，约每隔一年半会增加一倍；若换算为成本，即每隔一年半可降低五成，平均每年可降低三成。就摩尔定律延伸，IC技术每隔一年半就会推进一个世代。但摩尔定律是否仍适用于目前的半导体制程生态呢？已退休的台积电董事长张忠谋认为，摩尔定律早已无效，必须跳脱摩尔定律对于集积度的执着，只从应用看整合，也就是“创造横向应用”来克服已经失效的摩尔定律。

刘美君分析，若要延续摩尔定律，会遇到7纳米制程的抉择困境。首先是设备难度提高，先进曝光机、刻蚀机等设备研发技术难度大，依据Intel官方计算过去研发10纳米的制程，光罩成本至少要10亿美元，若10纳米制程的芯片产量低于1,000万片，平均每片芯片上的光罩成本就高达100美元，一旦7纳米的良率和产能无法提升，单颗芯片的成本将会十分高昂。而根据研究机构推算，10纳米芯片的总设计成本约为1.2亿美元，7纳米芯片则为2.71亿美元，较10纳米高出两倍之多！

因此7纳米之后的发展，有三种可能方向。首先是延续原有CMOS技术的发展概念，持续朝向摩尔定律方向进行高集积度的IC元件设计，但7纳米以后物理极限问题会渐趋严重。第二种是由应用需求驱动未来芯片设计功能的多样化，例如透过3D IC等封装新技术，整合Power、传感器（Sensor）、致动器（actuator）等功能进入芯片设计与制造。最后一种则是跳脱原有以硅（Si）为基础的CMOS元件制程，进入21世纪的碳素时代，以新材料、新技术来创造更高性能、低能耗的制造型态，同时又要能与现有制程相容，并具备成本优势。

7纳米以后IC制造技术的可能发展方向

　　寻找下世代的半导体材料

随着IoT产品普及速度加快，元件耗电问题成为下阶段半导体发展的重要课题，2020年后的电子元件，将聚焦在超低功耗的解决方案开发。刘美君指出，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽能隙功率元件，拥有较耐高温、耐高压、电阻小、电流大与低耗电等特性，相当适合高频元件使用。2017年SiC Power市场规模达到275亿日元，主要以通讯领域为大宗，预估在2030年将会扩大至2,270亿日元。而GaN Power则是在200V的低耐压及600V以上的中耐压领域逐渐扩大市场规模，2017年GaN全球市场规模预估为18亿日元，未来可朝向医疗器材发展，2030年时可望成长至1,300亿日元。

总结而言，未来IC制造业投资风向从传统消费性电子产品走向多元与新兴应用，2018年的应用产品潮流，从过去的消费性电子转向AI、IoT产品加值的领域进行延伸，对于芯片的规格需求，除了元件微小化外，高速运算与传输、多重元件异质整合、低功耗等特性，更是未来在产品与制程设计上需考量的课题。