盤點張忠謀心中的十大半導體產業重要創新

來源：微信公眾號 半導體那些事兒（ID：IC-008）

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在昨日舉辦的國際半導體展(SEMICON TAIWAN)中，已經退休的台積電創辦人張忠謀出席了相關論壇並發表了演講，張忠謀以「從半導體的重要創新看半導體公司的盛衰」為主題，回顧了整個半導體產業發展的歷程，並例舉了自己心中十大半導體產業重要創新，並表示這些創新是推動半導體市場成長的主要動能！

同時，張忠謀還對未來半導體產業的發展進行了預估，表示未來10到20年，半導體產業成長幅度會比全球GDP成長率高出200到300基點，整體半導體業產值年成長率將達到5%-6%，將比全球GDP高出2%-3%；雖然各項技術仍會面臨盛衰，但未來創新的空間還是很大。

這十大創新主要包括電晶體、積體電路、存儲器、封測代工及晶圓代工等技術，對此，芯方式（www.icfans.com）進行了簡單的盤點和回顧，共同來瞻仰一下這些推動半導體產業快速發展的重要創新！

十大創新第一位：貝爾實驗室電晶體

電晶體被認為是現代歷史中最偉大的發明之一，在重要性方面可以與印刷術，汽車和電話等的發明相提並論。

電晶體實際上是所有現代電器的關鍵驅動（active）元件。

電晶體在當今社會的重要性主要是因為電晶體可以使用高度自動化的過程進行大規模生產的能力，因而可以不可思議地達到極低的單位成本。

第一個電晶體是1947年發明的，出自貝爾實驗室。

發明者有三位，分別是約翰·巴定、威廉·肖克萊和華特·布萊登。

十大創新第二位：矽電晶體

電晶體（transistor）是一種固態半導體元件，可以用於放大、開關、穩壓、信號調製和許多其他功能。

電晶體作為一種可變開關，基於輸入的電壓，控制流出的電流，因此電晶體可做為電流的開關，和一般機械開關（如Relay、switch）不同處在於電晶體是利用電訊號來控制，而且開關速度可以非常之快，在實驗室中的切換速度可達100GHz以上。

1947年貝爾實驗室發明了電晶體之後，1954年德州儀器發明了矽電晶體，這讓當時掌握創新技術的德州儀器成為了市場贏家！

十大創新第三位：集成電路

集成電路，英文為Integrated Circuit，縮寫為IC；顧名思義，就是把一定數量的常用電子元件，如電阻、電容、電晶體等，以及這些元件之間的連線，通過半導體工藝集成在一起的具有特定功能的電路。

為什麼會產生集成電路？我們看一下1942年在美國誕生的世界上第一台電子計算機，它是一個占地150平方米、重達30噸的龐然大物，裡面的電路使用了17468隻電子管、7200隻電阻、10000隻電容、50萬條線，耗電量150千瓦。

顯然，占用面積大、無法移動是它最直觀和突出的問題；如果能把這些電子元件和連線集成在一小塊載體上該有多好！有很多人思考過這個問題，也提出過各種想法。

典型的如英國雷達研究所的科學家達默，他在1952年的一次會議上提出：可以把電子線路中的分立元器件，集中製作在一塊半導體晶片上，一小塊晶片就是一個完整電路，這樣一來，電子線路的體積就可大大縮小，可靠性大幅提高。

這就是初期集成電路的構想。

電晶體的發明使這種想法成為了可能，1947年在美國貝爾實驗室製造出來了第一個電晶體，而在此之前要實現電流放大功能只能依靠體積大、耗電量大、結構脆弱的電子管。

電晶體具有電子管的主要功能，並且克服了電子管的上述缺點，因此在電晶體發明後，很快就出現了基於半導體的集成電路的構想，也就很快發明出來了集成電路。

1958年：仙童公司羅伯特·諾伊斯（RobertNoyce）與德儀公司傑克·基爾比（Jack Kilby）間隔數月分別發明了矽集成電路和鍺集成電路，開創了世界微電子學的歷史。

十大創新第四位：摩爾定律

摩爾定律是由英特爾（Intel）創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的。

其內容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月翻一倍以上。

這一定律揭示了信息技術進步的速度。

儘管這種趨勢已經持續了超過半個世紀，摩爾定律仍應該被認為是觀測或推測，而不是一個物理或自然法。

預計定律將持續到至少2015年或2020年。

然而，2010年國際半導體技術發展路線圖的更新增長已經放緩在2013年年底，之後的時間裡電晶體數量密度預計只會每三年翻一番。

「摩爾定律」對整個世界意義深遠。

在回顧40多年來半導體晶片業的進展並展望其未來時，信息技術專家們認為，在以後「摩爾定律」可能還會適用。

但隨著電晶體電路逐漸接近性能極限，這一定律終將走到盡頭。

40多年中，半導體晶片的集成化趨勢一如摩爾的預測，推動了整個信息技術產業的發展，進而給千家萬戶的生活帶來變化。

十大創新第五位：MOS技術

傳統的電晶體我們稱之為雙極電晶體（bipolar transistor），由於此種電晶體生產程序上的先天限制，使得我們很難在一個晶片上制出元件密度很高的集成電路出來，因此目前所謂的LSI（Large Scale Integration大型積體）都是用MOS方法製造的。

所謂MOS乃是Metal OxideSemiconductor諸英文字的縮寫，利用此種技術可以把集成電路做得更小且其包含的元件更多。

而且在製造的程序上MOS的製作也要比製造傳統電晶體簡單。

我們都知道一個產品要能在市場上競爭，不外乎品質優異，價格低廉， MOS的製作程序簡單故成本較低。

體積和重量的減少也是使集成電路受到普遍重視與喜好的原因之一，當然這些原因較諸成本的降低就顯得無足輕重了。

MOS技術的出現也讓摩爾定律得以延續！

十大創新第六位：存儲器

存儲器，是半導體行業三大支柱之一。

存儲器就類似於鋼鐵之於現代工業，是名副其實的電子行業「原材料」。

如果再將存儲器細分，又可分為DRAM、NAND Flash和Nor Flash三種，其中DRAM主要用來做PC機內存（如DDR）和手機內存（如LPDDR），兩者各占三成。

DRAM領域經過幾十年的周期循環，玩家從80年代的40~50家，逐漸減少到了08年金融危機之前的五家，分別是：三星（韓）、SK海力士（韓）、奇夢達（德）、鎂光（美）和爾必達（日），五家公司基本控制了全球DRAM供給，終端產品廠商如金士頓，幾乎沒有DRAM生產能力，都要向它們採購原材料。

經過幾次「反周期定律」和洗牌，DRAM領域最終只剩三個玩家：三星、海力士和鎂光。

近兩年來存儲行業的強勢價格走勢，已經極大地影響了國內智慧型手機產業乃至整個 IC 晶片行業的發展。

現在不論是資本方、產業鏈還是終端的消費者，對內存相關的消息都異常地敏感和警惕。

但在政策和企業的大力發展下，今年下半年，國內三大存儲廠商長江存儲、福建晉華、合肥長鑫將相繼進入試產階段，中國存儲產業將迎來發展的關鍵階段。

國產內存雖然暫時難以撼動三星、美光、SK海力士等國際存儲巨頭的地位，但或將對全球存儲市場價格走勢產生影響。

十大創新第七位：封裝與測試

半導體生產流程由晶圓製造、晶圓測試、晶片封裝和封裝後測試組成。

半導體封裝測試是指將通過測試的晶圓按照產品型號及功能需求加工得到獨立晶片的過程。

其中，封裝是保護晶片免受物理、化學等環境因素造成的損傷，增強晶片的散熱性能，以及將晶片的I/O埠聯接到部件級(系統級)的印製電路板(PCB)、玻璃基板等，以實現電氣連接，確保電路正常工作。

測試主要是對晶片、電路以及老化後的電路產品的功能、性能測試等，外觀檢測也歸屬於其中。

其目的是將有結構缺陷以及功能、性能不符合要求的產品篩選出來。

在集成電路產業市場和技術的推動下，集成電路封裝技術不斷發展，大體經歷以下三個技術階段的發展過程：

第一階段是1980年之前以為代表的通孔插裝(THD)時代。

這個階段技術特點是插孔安裝到PCB上，主要技術代表包括TO(三極體)和DIP(雙列直插封裝)，其優點是結實、可靠、散熱好、功耗大，缺點是功能較少，封裝密度及引腳數難以提高，難以滿足高效自動化生產的要求。

第二階段是1980年代開始的表面貼裝(SMT)時代，該階段技術的主要特點是引線代替針腳，由於引線為翼形或丁形，從兩邊或四邊引出，較THD插裝形式可大大提高引腳數和組裝密度。

最早出現的表面貼裝類型以兩邊或四邊引線封裝為主，主要技術代表包括SOT(小外形電晶體)、SOP(小外形封裝)、QFP(翼型四方扁平封裝)等。

採用該類技術封裝後的電路產品輕、薄、小，提升了電路性能。

性價比高，是當前市場的主流封裝類型。

在電子產品趨小型化、多功能化需求驅動下，20世紀末期開始出現以焊球代替引線、按面積陣列形式分布的表面貼裝技術。

這種封裝的I/O是以置球技術以及其它工藝把金屬焊球(凸點)矩陣式的分布在基板底部，以實現晶片與PCB板等的外部連接。

該階段主要的封裝形式包括球狀柵格陣列封裝(BGA)、晶片尺寸封裝(CSP)、晶圓級晶片封裝(WLP)、多晶片封裝(MCP)等。

BGA等技術的成功開發，解決了多功能、高集成度、高速低功耗、多引線集成電路電路晶片的封裝問題。

第三階段是21世紀初開始的高密度封裝時代。

隨著電子產品進一步向小型化和多功能化發展，依靠減小特徵尺寸來不斷提高集成度的方式因為特徵尺寸越來越小而逐漸接近極限，以3D堆疊、TSV(矽穿孔)為代表的三維封裝技術成為繼續延續摩爾定律的最佳選擇。

十大創新第八位：微處理器

中央處理器是指計算機內部對數據進行處理並對處理過程進行控制的部件，伴隨著大規模集成電路技術的迅速發展，晶片集成密度越來越高，CPU可以集成在一個半導體晶片上，這種具有中央處理器功能的大規模集成電路器件，被統稱為「微處理器」。

需要注意的是：微處理器本身並不等於微型計算機，僅僅是微型計算機的中央處理器。

微處理器從最初發展至今已經有四十多年的歷史了，這期間，按照其處理信息的字長，微處理器可以分為：4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及64位微處理器，可以說個人電腦的發展是隨著CPU的發展而前進的。

由於微處理器可用來完成很多以前需要用較大設備完成的計算任務，價格又便宜，於是各半導體公司開始競相生產微處理器晶片。

其中以英特爾公司的最為出名！

如今，微處理器已經無處不在，無論是錄像機、智能洗衣機、行動電話等家電產品，還是汽車引擎控制，以及數控工具機、飛彈精確制導等都要嵌入各類不同的微處理器。

微處理器不僅是微型計算機的核心部件，也是各種數字化智能設備的關鍵部件。

國際上的超高速巨型計算機、大型計算機等高端計算系統也都採用大量的通用高性能微處理器建造。

十大創新第九位：VLSI與矽智財（IP）

VLSI是超大規模集成電路(Very LargeScale Integration)的簡稱，指幾毫米見方的矽片上集成上萬至百萬電晶體、線寬在1微米以下的集成電路。

由於電晶體與連線一次完成，故製作幾個至上百萬電晶體的工時和費用是等同的。

大量生產時，硬體費用幾乎可不計，而取決於設計費用。

超大規模集成電路是70年代後期研製成功的，主要用於製造存儲器和微處理機。

超大規模集成電路研製成功，是微電子技術的一次飛躍，大大推動了電子技術的進步，從而帶動了軍事技術和民用技術的發展。

超大規模集成電路已成為衡量一個國家科學技術和工業發展水平的重要標誌。

也是世界主要工業國家，特別是美國和日本競爭最激烈的一個領域。

矽智財是指集成電路設計所涉及的智慧財產權，在現今的半導體產業，被用來指一種滿足特定規格、事先定義、設計、驗證、可重複使用的功能模塊；其在晶片設計中是專指具備特定功能的集成電路設計技術，且由設計人員開發出的一種模塊化功能元件，可與其他元件相配合，組成具備更複雜功能的IC。

半導體產業界裡大致都有著相當程度的認知，業界也常稱為IP和SIP（Semiconductor IP或 Silicon IP的縮寫）。

十大創新第十位：晶圓代工

晶圓代工或晶圓專工(Foundry)，半導體產業的一種營運模式，專門從事半導體晶圓製造生產，接受其他IC設計公司委託製造，而不自己從事設計的公司。

有些擁有晶圓廠的半導體公司，如英特爾(Intel)、AMD等，會因產能或成本等因素，也會將部份產品委由晶圓代工公司生產製造。

台積電、聯電為世界排名第一與第二的晶圓代工公司。

反之，專門從事IC電路設計而不從事生產且無半導體廠房的公司稱為無廠半導體公司(Fabless)。

無廠半導體公司依賴晶圓代工公司生產產品，因此產能、技術都受限於晶圓代工公司，但優點是不必自己興建、營運晶圓廠。

隨著晶片製成微縮、晶圓尺寸成長，建設一間晶圓廠動輒百億美金的經費，往往不是一般中小型公司所能夠負擔得起;而透過此模式與晶圓代工廠合作，IC設計公司就不必負擔高階製程高額的研發與興建費用，晶圓代工廠能夠專注於製造，開出的產能也可售予多個用戶，將市場波動、產能供需失衡的風險減到最小。

總結

以上十大半創新對整個半導體產業的重要性不言而喻，同時對人類生活質量的改變有極為突出的貢獻。

張忠謀表示，1985年之後雖然沒有重大的創新，但仍有許多創新處於現在進行式，包括2.5D/3D封裝、EUV微影技術出現、人工智慧及機器學習、碳導管及石墨烯等新材料。

整體來看，半導體產業會持續成長，預期半導體產業將以超過全球GDP成長的速度持續增長，產業將需要更多創新技術。

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