ISSCC 2024 台積電半導體產業的現況與未來

本文是台積電業務開發資深副總裁張曉強( Kevin Zhang)博士在2024年第71屆國際固態電路會議(ISSCC)全會上發表的題為《Semiconductor Industry: Present & Future》的演講,詳細闡述了半導體行業當前如何正處於一個“黃金時代”,這一局面得益於微微晶片的混合技術

ISSCC 2024

2024年國際固態電路會議(ISSCC, International Solid-State Circuits Conference)全會於2024年2月18日至22日於美國加州舊金山舉行。大會主席Eugenio Cantatore在開幕致詞中披露,本屆會議註冊人數與最近兩次線下會議年份(2020年與2023年)基本持平,其中91%為現場註冊,9%選擇線上參會,現場參會比例較2023年提升5個百分點。Eugenio Cantatore同時宣佈本屆首設ISSCC技術博覽會,13家企業及研究機構參展,活動於會議期間周一(2月19日)及周二(2月20日)舉行。本屆會議是ISSCC第71屆年會，會議主題為"積體電路協助美好世界"。

摘要

半導體是當今數位經濟的基石,其驅動的技術創新將深刻影響人類歷史的發展處理程序。本文重點闡述半導體產業的最新進展,這些技術進步支撐著眾多應用領域的發展,並深刻改變了人類的生活方式。文中深入剖析了三大關鍵領域:持續微縮的先進製程演進、設計-製程協同最佳化(DTCO)的核心價值,以及系統級整合技術將如何把晶片性能推向全新高度。半導體技術的進步將賦能人工智慧(AI)、高效能運算(HPC)、無線通訊和自動駕駛等領域的創新浪潮。同時文中系統整理了從低功耗邊緣AI裝置到雲端運算的技術發展趨勢。透過充分發揮半導體技術的新效能,這些創新將顯著提升生產力、運作效率、安全性以及環境永續性。可以說,半導體產業正迎來真正的"黃金時代",在推動經濟顯著增長的同時釋放創新潛能,為社會創造更美好的未來。

半導體產業展望

2030年按應用平台劃分的半導體市場兆美元市場規模

生成式人工智慧顯著推動算力需求激增

無線通訊:泛在智慧互聯

汽車產業:邁向更智慧、更安全、更環保的未來

半導體代工模式

純代工模式(pure-play foundry)的創立不僅開創了無晶圓(fabless)半導體產業新紀元,更推動並加速了半導體技術的創新處理程序與產業化應用。

IEEE榮譽獎章(2011年)

• 該獎項創立於1917年,每年僅授予1人(2011年獲獎者為Morris Chang/張忠謀,表彰其對代工模式的革命性貢獻)

代工商業模式創新

代工模式賦能無晶圓半導體企業與系統廠商協同演進

先進製程微縮技術流程技術演進

電晶體架構展望

互補場效電晶體(CFET)密度微縮技術密度微縮比約1.5-2倍

CFET矽基製程驗證

12月13日(星期三)| 上午9:00–12:00上午11:35–12:00專案編號：29-6面向未來邏輯技術微縮的48nm閘極間距互補場效電晶體(CFET)驗證S. Liao,台灣積體電路製造股份有限公司(台灣積電)；

L. Yang,台灣積積電路製造股份有限公司(台積電)

成功實現n型與p型場效電晶體（nFET/pFET）整合驗證

面向標準單元最佳化的設計-製程協同最佳化(DTCO)創新

透過深度DTCO實現SRAM位元單元面積縮減約100倍

負位線寫入輔助技術使3nm高密度SRAM最低工作電壓降低300mv

技術革新賦能高能效計算

高效能運算(HPC)/人工智慧(AI)核心技術

HPC/AI技術平台 現在

HPC/AI技術平台 未來

先進封裝技術協助實現互連密度微縮

矽光子技術是實現共封裝光學(CPO)的最佳選擇

超越晶片級的創新勢在必行

蜂巢式射頻( Cellular RF )

5G演進推動系統架構革新與技術遷移

汽車產業

高階駕駛輔助系統(ADAS)推動尖端技術的普及應用

用於汽車領域的先進邏輯技術的百萬不良率( DPPM )

• 產品設計方與代工廠之間展開合作,通過動態電壓應力測試、快速良率學習以及物理失效分析,以達到汽車行業的百萬不良率( DPPM )目標。

汽車微控制單元(MCU)的MRAM/RRAM技術

16nm MRAM的卓越可靠性

RRAM資料:250萬次(KC)擦寫周期,2兆位元(Mb)儲存容量

註：

• MRAM: Magnetoresistive Random Access Memory(磁阻隨機存取記憶體)
• RRAM: Resistive Random Access Memory(阻變隨機存取記憶體)

MRAM/RRAM儲存單元微縮技術

• 持續推進技術邊界至5nm(N5)/4nm( N4)製程節點

感測器與顯示技術

全球年拍照數量統計

CMOS影像感測器(CIS)的技術演進

單層像素vs.雙層像素架構

VDGS CMOS影像感測器(CIS)的創新整合技術

半導體:全球經濟成長的核心驅動力

作者簡介

以下是台積電業務開發資深副總裁張曉強( Kevin Zhang)博士的綜合介紹：

1. 教育背景

• 本科畢業於北京清華大學電機工程系,獲學士學位;後在美國杜克大學獲得電機工程博士學位。

2. 職業經歷

• 2016年11月加入台積電前,張博士曾任英特爾技術與製造事業部副總裁暨電路技術總監,負責製程設計準則開發、電路與元件建模、數位元件庫、關鍵類比及混合訊號電路等業務。他在英特爾主導了從90nm到10nm嵌入式儲存技術的開發工作,並負責製程技術開發中領先載具的設計與驗證。張博士於2005年獲選為英特爾院士,並帶領團隊五次榮獲英特爾成就獎－該公司授予技術人員的最高榮譽。
• 加入台積電後,2016年11月至2020年8月擔任設計與技術平台副總裁,2020年8月起擔任業務開發資深副總裁,主要負責推動先進製程技術研發、封裝技術創新及全球業務合作,同時參與海外晶圓廠規劃與客戶關係管理。在台積電2024年高層調整中,他被任命為執行副總裁YJ Mii的副手,協助管理研發與全球戰略部署。

3.學術貢獻

• 張博士在國際會議和技術期刊上發表了80多篇論文,在積體電路技術領域擁有55項美國專利。他曾擔任2016年國際固態電路會議(ISSCC)程序主席,並擔任IEEE VLSI執行委員會委員,是電氣和電子工程師協會(IEEE)的會士。

4. 技術領導與創新貢獻

• 先進流程技術

張博士多次在台積電技術論壇中揭露關鍵製程進度：

2nm與A16(1.6nm)製程:主導2nm製程研發,採用Nano Sheet電晶體架構,預估2025年量產;A16製程匯入背面供電技術(BSPDN),2026年量產後將提升性能8-10%。

3nm迭代最佳化：推動N3P製程量產，比前代性能提升4%或功耗降低9%。

• 封裝技術突破

系統級晶圓(SoW) :提出透過晶圓級整合技術突破光罩尺寸限制,首款產品應用於特斯拉Dojo超級電腦,實現高密度異質整合。

CoWoS與SoIC :推動3D封裝技術商業化,如AMD MI300系列AI晶片採用CoWoS-L與SoIC-X技術,顯著提升算力與能源效率。

• 矽光子技術佈局

主導研發緊湊型通用光子引擎(COUPE),計畫2026年整合至CoWoS封裝,目標降低5倍耗電量與2倍延遲,因應AI資料傳輸需求。

5. 全球業務拓展與合作

• 國際合作項目

與Marvell合作開發業界首個2nm加速基礎設施平台,最佳化AI晶片效能與成本。

參與台積電海外建廠計畫,包括美國亞利桑那州3nm晶圓廠(2028年量產)及日本熊本6/7nm晶圓廠(2027年量產)。

• 客戶關係與市場策略

作為輝達、AMD等AI晶片巨頭的關鍵對接人，推動其採用台積電4nm/5nm工藝，並規劃3nm產品路線。 2024年台積電AI晶片營收佔比預計達11-13%(超100億美元)。

6. 產業影響力及觀點

• 科技趨勢研判

張博士認為,AI驅動下半導體產業需兼顧製程微縮與系統級整合,未來單晶片電晶體數將突破2000億,3D封裝技術是關鍵。

• 產能擴張

主導2024年全球7座新廠建設(含3座晶圓廠與2座封裝廠),計畫2026年CoWoS產能達2023年的4倍,SoIC產能成長8倍。 （芯發現芯世界）