CMOS技術(shù)目前仍未出現(xiàn)替代

近日，詹姆斯瓦特電氣工程領(lǐng)域教授，格拉斯哥器件建模集團(tuán)的負(fù)責(zé)人Asen Asenov在Semiwiki上撰文，分析了CMOS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，認(rèn)為今天仍然沒(méi)有真正能取代CMOS的技術(shù)出現(xiàn)。

目前全球CMOS芯片有超過(guò)80％都是在遠(yuǎn)東制造的；西方各國(guó)政府需要就CMOS技術(shù)的未來(lái)做出重要決定。作者認(rèn)為：

在沒(méi)有特定規(guī)劃的情況下，這些包括碳納米管、石墨烯、二維材料、各種量子的集合紛紛出現(xiàn)，包括量子計(jì)算等。

盡管在相應(yīng)的研究中存在著極大的智力挑戰(zhàn)，但人們逐漸意識(shí)到，所有這些都不具備取代CMOS技術(shù)的潛力。

最大的半導(dǎo)體廠商在后CMOS技術(shù)上的投資僅占其CMOS研發(fā)預(yù)算的一小部分。

但目前仍然沒(méi)有可能取代CMOS的技術(shù)出現(xiàn)。

然而，所有的證據(jù)都表明半導(dǎo)體行業(yè)正在走向成熟和整合。

主要障礙在于未來(lái)技術(shù)日益復(fù)雜

多年來(lái)，在芯片制造的所有步驟——包括前端生產(chǎn)線（FEOL）、中間生產(chǎn)線（MOL）和后端生產(chǎn)線（BEOL），都引入了新的材料、設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝和設(shè)備，以確保摩爾定律的連續(xù)性。

對(duì)于未來(lái)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，將需要多個(gè)EUV光刻序列來(lái)印刷30nm以下的pitches。

在FEOL中，F(xiàn)inFET已經(jīng)成為7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的主流設(shè)備架構(gòu)，7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)是目前芯片生產(chǎn)中使用的最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，垂直堆疊橫向納米片是未來(lái)的發(fā)展方向，其次是Forksheet結(jié)構(gòu)和綜合性互補(bǔ)FET（Complementary FET，CFET）。

對(duì)于Complementary FET（CFET）而言，它是在1nm節(jié)點(diǎn)采用的方法。在此，通過(guò)在p型FET上堆疊n型FET，即通過(guò)三維堆疊具有不同導(dǎo)電類型的晶體管，從而標(biāo)準(zhǔn)單元面積被大大減小。

AI領(lǐng)域存在CMOS工藝和器件瓶頸

目前，人工智能，特別都是機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展將需要更有力的、超過(guò)每秒百億次運(yùn)算能力的計(jì)算系統(tǒng)；

而構(gòu)建這些系統(tǒng)的基礎(chǔ)是CMOS技術(shù)的芯片，而CMOS工藝能不斷提高系統(tǒng)性能主要得益于集成尺寸的縮小。

CMOS技術(shù)與新興信息技術(shù)的交叉融合，開源軟件到開源硬件的潮流漸顯，預(yù)示著將迎來(lái)一個(gè)前所未有的協(xié)同創(chuàng)新機(jī)遇期。

CMOS技術(shù)從攝像系統(tǒng)源頭就開始處理數(shù)字信號(hào)，其穩(wěn)定性更加突出。具體在手術(shù)過(guò)程中，醫(yī)生需要觀看的手術(shù)圖像全程都能保持初始的高清狀態(tài)，其舒適度大幅提升。

在低照度的弱光環(huán)境下，新型CMOS技術(shù)的高感光度的表現(xiàn)們還是有目共睹的，可以完全滿足內(nèi)窺鏡在各種復(fù)雜腔體內(nèi)的應(yīng)用，并獲得清晰的手術(shù)影像。

CMOS芯片成為攝像頭模組靈魂

在攝像頭模組中，圖像傳感器是靈魂部件，決定著攝像頭的成像品質(zhì)以及其他組件的結(jié)構(gòu)和規(guī)格，CMOS芯片和CCD芯片是當(dāng)前主流的兩種圖像芯片。

根據(jù)Frost＆Sullivan數(shù)據(jù)，2016年至2020年，全球CMOS芯片出貨量從41．4億顆快速增長(zhǎng)至77．2億顆，期間年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到16．9％。

預(yù)計(jì)2021年至2025年，全球CMOS芯片的出貨量將繼續(xù)保持8．5％的年復(fù)合增長(zhǎng)率，2025年預(yù)計(jì)可達(dá)116．4億顆。

預(yù)計(jì)2021年至2025年全球CMOS市場(chǎng)規(guī)模將保持11．9％年復(fù)合增長(zhǎng)率。根據(jù)Frost＆Sullivan 數(shù)據(jù)，全球CMOS芯片銷售額從2016年的94．1億美元快速增長(zhǎng)至2020年的179．1億美元。

預(yù)計(jì)全球CMOS芯片銷售額在2021年至2025年間將保持11．9％的年復(fù)合增長(zhǎng)率，2025年全球銷售額預(yù)計(jì)可達(dá)330億美元。

車載CMOS芯片大有可為

汽車智能化加速了車載攝像頭的應(yīng)用，CMOS芯片已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于行車記錄儀、前向ADAS及倒車影像、360°環(huán)視影像、防碰撞系統(tǒng)。

隨著汽車向電動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，更多的新車將標(biāo)配ADAS（高級(jí)自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)）。

預(yù)測(cè)2021－2025年全球車載CMOS芯片市場(chǎng)規(guī)模年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)21．4％。

根據(jù)Frost＆Sullivan 數(shù)據(jù)，2020年，汽車電子領(lǐng)域CMOS芯片的出貨量和銷售額分別為4億顆和20．2 億美元，分別占比5．2％和11．3％；

預(yù)計(jì)汽車電子CMOS芯片出貨量和銷售額將在2025年達(dá)到9．5億顆和53．3 億美元，市場(chǎng)份額占比將分別上升至8．2％和16．1％，預(yù)期年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到18．89％和21．42％。

結(jié)尾：新技術(shù)可能打破現(xiàn)有極限

英國(guó)初創(chuàng)公司Search For The Next（SFN）和蘇格蘭芯片制造商Semefab合作開發(fā)了Bizen晶體管架構(gòu)，可能從另一方向打破CMOS的極限。

提出Bizen晶體管架構(gòu)最初的目的就是為了創(chuàng)建具有較少掩膜步驟的芯片，使得同一塊芯片上同時(shí)具有邏輯和功率晶體管，在這一初衷下創(chuàng)建一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器的集成電路。

盡管Bizen存在一些靜態(tài)功耗要求，但可以達(dá)到或超過(guò)CMOS工藝技術(shù)的開關(guān)速度和動(dòng)態(tài)功耗。

目前為止，Bizen晶體管還沒(méi)有CMOS靜電放電（ESD）敏感性和閂鎖問(wèn)題的困擾，Bizen晶體管適用于數(shù)字晶體管和功率器件。