2022年半导体行业十大技术趋势！
发布日期：2023-01-04 10:53浏览次数：11470
半导体以及集成电路产业作为信息技术产业的核心，是引领新一轮科技革命和产业变革的关键力量，行业正处在一个风险与机遇并存的技术大变革风口，洞悉发展趋势、把握产业脉搏，才能更好立足现状，赢得未来。在本文中，OFweek维科·电子工程网盘点了2022年半导体产业的十大技术趋势，看看在这一年里，半导体产业中又迎来了哪些新的技术突破？2022年9月，华为发布了 Mate 50、Mate 50 Pro 系列手机，搭载超光变 XMAGE 影像，超可靠昆仑玻璃，预装鸿蒙 HarmonyOS 3．0。最重要的一项功能是搭载“向上捅破天”的技术。据华为介绍，华为 Mate 50 系列是全球首款支持北斗卫星消息的大众智能手机，在无地面网络信号覆盖环境下，仍可通过畅连 App 发送消息，支持一键生成轨迹地图，时刻与世界畅连，开启大众卫星通信新时代。此外，华为李小龙还普及了一些 Mate 50 北斗卫星通信的内容，比如北斗用于短消息发送的卫星距离地面高度是 36000 公里，要在手机这么小的空间内把信号发送到 36000 公里的同步轨道卫星是比较困难的。另外，有网友问北斗短报文只能单向发送，那如何知道是否发送成功？华为李小龙表示，在消息列表界面是可以显示是否收到卫星回执的，如果显示收到卫星回执，那就说明已经发送成功了。后面两条未收到卫星回执的消息是想试试在飞机上能否发送成功。
点评：华为将北斗卫星消息功能成功搭载在智能手机上，意味着国内北斗卫星产业将更上一层次，通过手机直接发送短报文，可有效降低北斗卫星通信的应用成本，可以让普通用户在登山、探险、自驾时不再担心失联风险。2．首款 12 纳米级 DDR5 DRAM 开发成功2022年12月21日，三星电子宣布，已成功开发出其首款采用 12 纳米（nm）级工艺技术打造的 16Gb DDR5 DRAM，并与 AMD 一起完成了兼容性方面的产品评估。三星表示，这一技术突破是通过使用一种新的高介电（high－k）材料来增加电池电容，以及改进关键电路特性的专利设计技术而实现的。结合先进的多层极紫外（EUV）光刻技术，新款DRAM拥有三星最高的DDR5 Die密度（Die density），可使晶圆生产率提高20％。基于DDR5最新标准，三星12nm级DRAM将解锁高达7．2千兆每秒（Gbps）的速度，这意味着一秒钟内处理两部30GB的超高清（UHD）电影。新款DRAM同时拥有卓越的速度与更高的能效。与上一代三星DRAM产品相比，12nm级DRAM的功耗降低约23％，对于更多追求环保经营的全球IT企业来说，这将会是值得考虑的优选解决方案。而随着 2023 年新款 DRAM 量产，三星计划将这一基于先进 12nm 级工艺技术的 DRAM 产品扩展到更广泛的市场领域。三星数据显示，结合先进的多层极紫外（EUV）光刻技术，新款 DRAM 拥有三星最高的 Die 密度（Die density），可使晶圆生产率提高 20％。基于 DDR5 最新标准，三星 12nm 级 DRAM 将解锁高达 7．2 千兆每秒（Gbps）的速度。
点评：三星12nm级DRAM的成功研发，将成为推动整个市场广泛采用DDR5 DRAM的关键因素。凭借卓越的性能和能效，该款DRAM或将成为下一代计算、数据中心和AI驱动系统等领域更可持续运营的基础。3nm是目前芯片制造中的一种工艺制程，指芯片中一根晶体管源极和漏极（通俗指的电路正负极）之间的距离，电子像水流一样从源流到漏，中间仅有纳米级的间距，而一块先进工艺芯片内，通常有数亿个的晶体管且排布复杂，越先进的工艺生产，芯片越微缩、晶体管越密集，芯片的性能也越强。由于在22nm节点上引用FinFET技术，将晶体管以3D形式排步，芯片的工艺无法只用纳米来衡量，但业内仍保留了这个称呼。2022年，3nm工艺节点量产终点逼近，围绕该节点，全球巨头们的竞赛正在激烈进行。台积电垄断了全球75％以上的晶圆代工先进工艺市场，在先进制程上，客户无法找到台积电的替代品，这也赋予了台积电更强的议价能力，如今在3nm上，三星电子是最有希望做出台积电竞品的公司，这让客户有了第二个选择。三星电子背后的韩国政府，正在对半导体制造业给予更多资金和技术的支持。点评：需要注意的是，在上述两家巨头外，英特尔也计划重返3nm战场，英特尔在去年4月表示，Intel3（约合7nm）将于2023年下半年量产。在英特尔加入之后，3nm工艺的竞争将更加激烈。最近，由埃隆·马斯克掌门的脑机接口公司Neuralink，让猴子通过屏幕和植入大脑的传感设备来追踪屏幕上的移动光标，拼出了“Can I please have snacks”（我能吃点零食吗？）的英文短句。猴子全程和键盘没有物理接触，马斯克称，它在用意念移动光标。过去三年，这家脑机接口公司每年都会公布其脑机接口技术的进展，实验对象也从小鼠、猪变成了大脑复杂程度接近人类的猴子。人们也看到，在脑机接口领域，传感设备的体积不断优化、缝合速度不断加快。不仅如此，马斯克还表示首款Neuralink设备有望在未来5-6个月内进入人脑试验。
点评：脑机接口作为人脑与外界（计算机或其他外部装置）实现连接进行直接通信的“黑科技”，已经成为资本追捧和科技巨头争抢的风口，不仅仅是马斯克的Neuralink公司，华为、谷歌、Meta等海内外大型科技公司均在这一领域有所布局。但在笔者看来，脑机接口依然存在一定的伦理风险……2022年三大DRAM厂：三星（Samsung）、SK海力士（SKHynix）、美光（Micron）除了持续往1Znm、1alpha纳米制程转进外，三星（Samsung）将率先跨入EUV世代，缓步取代现有的doublepatterning技术，以提升成本结构与生产效率。2020年NAND Flash叠堆技术突破150层后，2022年继续往232层以上推进，单晶片容量也将自256／512Gb推进至512Gb／1Tb，透过成本改善吸引客户将容量升级。在储存界面上，PCIe Gen3已成主流，PCIe Gen4随着新游戏主机搭载以及英特尔新平台的采用，预计市占率将自2022年起攀升，满足高端PC、server、datacenter高速运算需求。点评：232 层堆栈的 3D NAND Flash 快闪存储器将比上一代的产品更具节省功耗的能力，使用在品上更具节能优势，在性能上也更容易满足游戏以及人工智能方面的需求。随着人们对电子产品的依赖性逐步增强，“电池焦虑症”也变得普遍起来。小到智能手机、TWS耳机、电动牙刷、充电宝，大到笔记本电脑、平板，甚至是电动汽车，使用者均希望充电更快速、用电更节能、续航更持久。鉴于这一需求，在电池技术没有革命性变更的情况下，快充／超级快充技术重新走红，在技术创新与产业落地两方面加速发展。在技术创新方面，快充产品正往大功率、小体积、低成本、多口化、无线化等方向发展，相应地对电源适配器集成化程度、电路拓扑结构设计、抗电磁干扰、散热管理等性能提出了新的要求。同时，快充厂商也更关心集合产品品质、结构和成本控制方面优势的一体化解决方案。另外，GaN开关特性会远远优于MOSFET，这为通过高频化来减小充电器体积提供了可行性。而且随着GaN出货量的提升，GaN的成本也在逐步优化，部分型号的价格已经贴近MOSFET。未来GaN很有机会成为快充充电器的主流。当然，2021年电源类芯片短缺行情在一定程度上影响了快充市场的发展。但长远来看，出于消费者快充需求的因素，未来快充需求肯定会急剧增加，尤其是最近一些手机厂商取消了配送充电器，这给整个行业带来了巨大潜在需求。在应用落地方面，快充技术已经从普及度最高的手机、笔电、平板三大板块，逐步覆盖到了TWS耳机、新能源汽车、电动工具、个人护理、户外电源等新兴市场，有望急速扩大市场容量。尤其是在碳中和、环保趋势下，电动汽车已是未来明确趋势。我们预估2021年电动汽车总出货车辆数将达540万台，占整体车市出货量约5％。而目标是到2030年电动车占整体车市的比重将达30％左右，且目前看起来速度还可能更快，等于未来十年该数量会呈现6倍以上的成长。点评：虽然电动汽车是快充技术实现完美落地的最佳选择，但目前电动汽车的快充普及速度明显低于消费类电子产品。这是因为暂时受到动力电池、控制及热管理等技术制约，且国内充电设施建设相关法规、标准缺失，还需要电力供应部门、社区中心等环节的助力。因此，电动汽车的快充普及将成为未来5年里产业链多环节共同配合的热点领域。这里所说的光线追踪是指实时光线追踪。这两年实时光线追踪在图形计算领域很热门，即便光线追踪技术的诞生已经有相当的年头了。光追如今被业界一致认为是图形计算必备技术，它能在虚拟图形世界，令画面中的3D对象之间产生更为真实的光影关系，在视觉上令画面更真实。桌面、数据中心及专业视觉领域，光线追踪的主要推力来自英伟达。AMD和Intel的GPU产品都在2021进行了积极的跟进。移动领域，则因为光线追踪的贪婪算力需求，会稍晚一步。但Imagination已经于2020年在IP方面为光线追踪技术在移动领域的实现准备就绪；Arm、联发科等参与者目前正在市场上做前期部署。应用层面，游戏、专业视觉作为光线追踪前期应用的重要场景自不必多说。但光线追踪真正代表的，乃是真实世界在虚拟图形世界映射的一类模拟、仿真技术。近两年热门的概念中，“数字孪生”与“元宇宙”都对真实世界的物理模拟，提出了极高的要求，包括光、粒子、液体、材料、弹簧、线缆等物理特性模拟。光线追踪在数字孪生之上的应用，颇具代表性的一例是爱立信借助英伟达的Omniverse打造了一座城市的数字孪生。这座虚拟城市在建筑物、植被、树叶等材质上都具备了物理级准确性，实现了信号反射强度的精准模拟。利用光线追踪技术，能够对城市中每个点的5G信号质量进行计算与可视化，最终设计出高效、可靠的网络。以光线追踪为代表的模拟与仿真技术将进一步驱动图形世界、数字孪生、元宇宙等技术和应用的发展。点评：如今的光线追踪技术已经成为显卡厂商宣传产品的一大卖点，在元宇宙、游戏、数字孪生等市场的强烈需求下，后续光线追踪技术将获得更大的发展。2022年半导体市场的另一个主要技术突破是半导体芯片的冷却技术。众所周知，手机在充电或长时间使用时会略微发热。幸运的是，这种发热程度未达到危险水平，这主要得益于半导体设计专家部署的热管理技术。追求电子产品体积更小，同时性能更高的当下，多芯片封装是必然的趋势。但把几个芯片被封装在一个相对较小的区域中，热管理成为一项更具挑战性的任务。目前，在半导体设计中使用微通道冷板是解决发热问题的主要方法之一——将冷却剂均匀地分布在发热的表面上。点评：目前，科学家们正在开发一种新的芯片设计，其中包含晶体管和微流体冷却系统，这或许会成为2022年半导体重大技术突破之一。2022年5月，据北大官网公开的消息，北大王兴军教授研究团队历时三年，成功取得了光子集成芯片和微系列领域的重大突破。据悉，王兴军教授课题组和加州大学圣芭芭拉分校John E． Bowers教授课题组在《自然》（Nature）杂志在线发表文章“Microcomb－driven silicon photonic systems”，在世界上首次报道了由集成微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统，表明了研究团队历时3年协同攻关，终于攻克了这一世界性难题。据北京大学新闻网介绍显示，王兴军领导的研究团队通过直接由半导体激光器泵浦集成微腔光频梳，给硅基光电子集成芯片提供了所需的光源大脑，结合硅基光电子集成技术工业上成熟可靠的集成解决方案，完成大规模集成系统的高效并行化。利用这种高集成度的系统，实现T比特速率微通信和亚GHz微波光子信号处理，提出高密度多维复用的微通信和微处理芯片级集成系统的全新架构，开创了下一代多维硅光集成微系统子学科的发展。相关研究成果有望直接应用于数据中心、5／6G通信、自动驾驶、光计算等领域，为下一代片上光电子信息系统提供了全新的研究范式和发展方向。
点评：光量子芯片跟传统芯片相比优势格外明显，使用光作为信息传递的载体，储存的信息可以保存更长的时间，而且光量子芯片对外界的抗干扰性更强，兼容性更好，操控精度更加准确，是未来芯片主流的发展方向。2022年10月，联发科宣布，将于近期将机器学习导入芯片设计，运用强化学习（reinforcement learning） 让机器自我探索学习，预测芯片最佳电路区块位置（location） 与形状（shape）。这一举措可大幅缩短芯片设计的开发时间，并建构性能更强大芯片，成为改变游戏规则的大突破。据悉此技术将于11 月台湾地区举行IEEE亚洲固态电路研讨会A－SSCC发表，同步申请国际专利。据了解，联发科运用AI机器学习演算法，可将时间缩短至一天甚至数小时，就能预测出最佳化电路区块布局，效益不只超越人工，更能透过GPU加速，提供多达数十项可行开发方案，释放研发人力时间及心力投注其他更复杂的系统架构。联发科还运用模型预训练技术，让机器持续随专案演化，将一代优于一代的精神应用至芯片开发。联发科指出，AI先进技术注入新演算法，针对极复杂的芯片设计，决定最佳电路配置，除了决定区块（block） 最佳位，还能调整成最佳形状，将机器学习应用在最佳化设计、减少错误，探索未知、协助工程师花更少时间，产出更好成果。联发科芯片设计研发本部群资深副总经理蔡守仁表示，不论企业界和学术界，近年少有早期电路区块布局文献研究。联发科本次突破性发展，将AI和EDA 结合出机器最佳化电路区块布局，协助研发人员提高效率并自动执行最佳化任务。技术逐步整合导入联发科全线开发设计流程，包括手机、电视、网络通信等芯片，有效提升研发能量、缩短研发时程、协助公司及客户快速抢占市场先机。点评：AI技术的参与，确实能够帮助人们提升芯片测试效率，相比用人力去排查异常并纠错，用AI排查问题的速度明显更快。基于AI设计的代理模型能够对实验数据中的参数进行调整，对实验结果进行模拟，实现模型的快速更新迭代。
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