AI接棒智慧手機帶動成長 台積電副總曹敏：2030半導體產值將破1兆美元
【記者蕭文康／台北報導】台積電（2330）研究發展副總曹敏今在比利時微電子研究中心（imec）論壇中指出，智慧型手機等應用為半導體產業帶來2007~2024年間近17年的成長，帶動全球半導體產業的年產值來到6000億美元，隨著AI人工智慧應用的接力演出，預期在2025~2030年間半導體產值將會持續上升，全球半導體的年產值將超過1兆美元大關，高效能計算（HPC）可能會占據最大份額，HPC包括AI，接下來依次是行動設備、汽車和物聯網。
半導體成長每10年以波浪方式進行
他說，半導體是當今數位經濟的基礎。半導體技術支援從5G、AI機器學習、高效能計算、汽車駕駛到智慧醫療等廣泛的應用範疇。它已經深刻改變了我們工作的方式、生活以及娛樂方式，這一切都歸功於半導體技術的進步。展望未來，我們將看到更多驚人的創新，將進一步超越我們的想像，為社會帶來更美好的未來。
曹敏指出，如果看半導體行業的歷史，成長是以波浪方式進行的，1987年也就是台積電成立的那一年，每隔10年左右，就會有一個新的成長浪潮出現，推動行業的發展。從PC時代，到互聯網時代，再到智慧手機和汽車，每個浪潮都將業界推向新的高度。
AI推動未來10年半導體產值達1兆美元
在2021年，半導體實現了5000億美元的營收，而今年很可能會達到約6000億美元的新紀錄，相信AI會在這10年末將半導體推向1兆美元的規模，在這1兆美元的市場中，高效能計算（HPC）可能會占據最大份額，HPC包括AI，接下來依次是行動設備、汽車和物聯網。
這些推動因素中的幾個，包括智慧手機已經驅動這個產業近17年，為了在非常小的外形中實現更多功能，需要具備最高效能和最低功耗的最新邏輯技術。在平面電晶體時代，從65nm到20nm，應用處理器上的電晶體數量從1.25億增加到了20億個電晶體，這一數字在最新的3nm技術中已上升至190億個電晶體。CPU的頻率也從2007年略低於500MHz增加到今天接近4GHz，而功率效率也得到了顯著提升，讓視頻和音頻播放時更加持久。
AI正處於邁向下一個大的發展階段，它可能是最重要的一個，無論是AI模型的複雜性還是計算能力，都在指數級增長。先進的邏輯技術、先進的封裝技術以及那些先進的記憶體技術。
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汽車將很快採用5/3奈米晶片
另外，他說，汽車產業是另一個令人興奮的領域，三個主要趨勢推動著這個市場，人們對更智慧、更安全和更環保交通工具的需求，今天的汽車配備了各種級別的自動化，從2級到4級和5級機器人駕駛。對於自駕車，你需要各種傳感器，還需要一個非常高效能的中央計算機來增加電池壽命，這意味著它們也需要非常可靠的先進技術。因此，汽車產業正在以空前加快的速度進行技術遷移，從28nm到16nm，再到7nm，很快我們會看到配備5nm和3nm技術的汽車，這些都是最先進的邏輯技術。
他進一步分析，邏輯技術的縮放或是否可以以當前的速度繼續縮放技術是每個人關心的問題，從2010年開始，台積電推出的所有技術，電晶體架構已經發生了顯著變化，從平面電晶體時代到N16，不僅僅是電晶體架構，許多新材料、新特徵，以及設計和技術的協同優化將幫助繼續推動技術規模的發展。在軟體領域，EUV技術在2019年被引入以幫助縮放，並且高階EUV技術即將到來。
台積電去年底推出首個C-FET 晶體管
過去幾年，台積電一直在研究C-FET晶體管。去年12月，在IEM上台積電展示了首個C-FET 晶體管。當然，這需要與舊晶體管建立連接，這意味著需要非常好的互連，隨著將越來越多的晶體管打入越來越小的空間，銅線實際上會被擠壓，隨著銅線被擠壓，電阻和電容都會增加。過去10年，台積電工程師一直在解決這個問題，我們在互連領域先後推出了許多創新。自2019年以來，我們首次引入了 COBOL-9 和 COBOL-CAP 技術，顯著改善了銅間隙的成品率和可靠性。在N16上，我們引入了金屬氧化物蝕刻頂層，減少了銅線間的電容。在 N10上，我們引入了自對準雙鍍，但具有靈活的間距，這是相當困難的。
在2019年，台積電引入了首個 EUV 技術，在 N5 上，台積電引入了銅重填以改善非常窄的銅間隙成品率，在最新的 N3 納米技術中，台積電引入了首個無底障壁銅束，將場地電阻減少了超過50%，台積電並未止步於此，台積電仍然有許多新想法。未來，在銅基領域，台積電仍然會引入低RVL ，它將減少VRB距離25%，還引入新的局部蝕刻頂層，將耦合電容再減少6%，台積電還在研究新的銅障壁，將線路減少15%。
台積電也在研究銅以外的金屬材料，第一個是Air-Gap金屬，如中間所示，它將顯著減少耦合電容，還有一個是集成石墨烯，這也將減少互連層。
事實上，技術縮放仍然是台積電高效能計算的關鍵因素，這個問題甚至更緊迫，但有些人認為電網輸電限制將成為AI計算能力的天花板，如果使用功率效率乘以密度作為度量標準，最新的N3奈米技術在僅略超過10年的時間內將這個度量標準提高了80倍，沒有多少行業以這個速度在進步，每個節點的功率效率都顯著提高，減少了電費和功率足跡，台積電預計這個趨勢將在可預見的未來繼續下去。
晶片級的縮放可能在放緩，但它仍然是非常重要的，今年是iMac的40周年，藉此機會感謝 iMac對半導體產業的貢獻，合作是半導體產業成功的關鍵。實際上，台積電的商業模式就是基於每方都做好自己最擅長的事情，然後一起創新。
本世紀末可以看到超過1兆個電晶體以封裝形式出現
在封裝技術方面，除了晶片級的2D縮放之外，超越晶片級的創新現在實際上以極快的速度在發展，很快我們將看到晶片上擁有超過2000億個晶體管，這令人驚嘆。超越晶片層級，可以通過先進的封裝技術整合更多的晶片，並向系統中添加更多的電晶體來提高效能。到本世紀末，我們應該可以看到超過1兆個電晶體以封裝形式出現。
至於是什麼推動先進的封裝技術？曹敏說，事實證明，是相互連結的最佳知識，晶片之間的關係在決定系統效能和功耗方面起著關鍵作用，更高的密度導致更高的頻寬和更低的功耗，隨著3D晶片封裝技術的進步，我們可以顯著縮短晶片之間的互連距離，從而實現更好的效能和功耗。
預計到本世紀末，ADAS將達到90%的車輛覆蓋率，這意味著你需要最新的邏輯技術，更重要的是，你還需要最新的嵌入式閃存技術以及最新的圖像感測技術。台積電的工程師發明了一種名為LOFIC的新技術，這是由工程師命名的，它代表「階級溢出集成簇」，本質上是一個集成到圖像感測器的3D集群，有了這項技術，可以顯著提高動態範圍。
2030年半導體市場將達到1兆美元
從經濟角度來看，半導體對經濟具有倍增效應，到2030年，半導體市場將達到1兆美元，加上晶圓代工2500億美元，它們將支持一個3兆美元的電子設備市場，12兆美元的IT產業，以及145兆美元的市場領域。多年的半導體創新大大提高了生產力、連接性、可持續性以及生活的其他方面，半導體技術的進步和突破對解決我們的挑戰、豐富我們的生活以及創造更美好的未來至關重要。
