什么是摩尔定律 ？为何先进制程玩家反攻成熟制程？

摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈，其核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。摩尔定律是内行人摩尔的经验之谈，汉译名为“定律”，但并非自然科学定律，它一定程度揭示了信息技术进步的速度。

1959年，美国著名半导体厂商仙童公司首先推出了平面型晶体管，紧接着于1961年又推出了平面型集成电路。这种平面型制造工艺是在研磨得很平的硅片上，采用一种所谓“光刻”技术来形成半导体电路的元器件，如二极管、三极管、电阻和电容等 只要“光刻”的精度不断提高，元器件的密度也会相应提高，从而具有极大的发展潜力。因此平面工艺被认为是“整个半导体的工业键”，也是摩尔定律问世的技术基础 [2] 。

1965年时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇观察评论报告，题目是：“让集成电路填满更多的元件”。在摩尔开始绘制数据时，发现了一个惊人的趋势：每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量，每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18-24个月内 。如果这个趋势继续，计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。 Moore的观察资料，就是现在所谓的Moore定律。其所阐述的趋势一直延续至今，且仍不同寻常地准确 。人们还发现这不仅适用于对存储器芯片的描述，也精确地说明了处理机能力和磁盘驱动器存储容量的发展。该定律成为许多工业对于性能预测的基础 。在26年的时间里，芯片上的晶体管数量增加了3200多倍，从1971年推出的第一款4004的2300个增加到奔腾II处理器的750万个。

归纳起来，“摩尔定律”主要有以下3种“版本”：1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番;2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半;3、用一美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两番 。以上几种说法中，以第一种说法最为普遍，第二、三两种说法涉及价格因素，其实质是一样的。三种说法虽然各有千秋，但在一点上是共同的，即“翻番”的周期都是18个月，至于“翻一番”(或两番)的是“集成电路芯片上所集成的电路的数目”或是整个“计算机的性能”，还是“一美元所能买到的性能”就见仁见智了 。

截至目前，汽车芯片仍处于紧缺状态，而且，短缺物料已从常规车用芯片延伸至IGBT等电动车增量芯片;而就在产业链加大力度解决汽车芯片短缺问题时，已有部分企业在规划更先进制程工艺的车规级芯片，如芯擎科技、恩智浦、高通、英伟达等，陆续发布7nm、5nm制程芯片。那么，车用芯片向先进制程工艺发展是否已经成为主流?

对此，业内人士称，安全、稳定、可靠是车规级芯片的最大诉求，车用芯片种类众多，并非所有芯片都适用于先进制程，而AI计算单元等新一代芯片，出于性能、功耗和成本考虑，更倾向于采用先进制程工艺。芯擎科技董事兼CEO汪凯博士进一步指出，采用先进工艺的芯片还能为未来OTA等迭代升级预留空间。

台积电仍是车芯香饽饽

日前小鹏汽车创始人何小鹏发文称，一辆智能汽车需要几百种、5000颗以上芯片，但目前仍有很多专有芯片处于短缺状态。笔者从供应链了解到，IGBT目前供应紧张，部分物料交货周期已拉长至50周以上。汽车行业数据预测公司Auto Forecast Solutions数据显示，在芯片短缺及疫情双重影响下，截至5月中旬，今年全球汽车已累计减产达172万辆。

而就在产业链极力解决芯片短缺问题之时，部分企业已在积极布局下一代先进制程工艺汽车芯片。

相比5nm，7nm车用芯片更多，部分产品已实现量产甚至装车。如英伟达的Orin，就是7nm高算力芯片的代表，已于今年3月末官宣量产，该芯片一经推出就获得了比亚迪、理想、集度、奔驰、智己、捷豹路虎、沃尔沃、现代、奥迪、路特斯等大批主机厂选用，并首搭于蔚来ET 7车型上。

其他芯片中，芯擎科技“龍鷹一号”、地平线征程6、Mobileye的EyeQ5/EyeQ6、寒武纪旗下行歌科技高等级智能驾驶芯片(未发布)、特斯拉FSD芯片、赛灵思Versal AI Edge系列等也均是采用7nm制程工艺。

谈及 IC 报价，有业界人士称大尺寸与中尺寸面板驱动 IC 价格约比去年底小幅减少，小尺寸面板驱动 IC 报价则已比去年底降低二成以上。触控与驱动整合 IC(TDDI)方面，有些品项价格降幅已有两位数百分比，部分降幅还在一成以内，其中以 FHD TDDI 芯片降幅较大。

相较于3纳米/2纳米这样的先进制程，在成熟制程领域的看客似乎越来越多。一方面是因为成熟制程市场种类百花齐放，有模拟芯片、功率半导体、MCU、射频芯片等等。再就是锁定这块市场的晶圆代工业者愈发多，随着台积电和三星开始反攻成熟制程，对于成熟制程晶圆厂商来说，挑战愈发大。最后还有在细分领域小而美的专业代工业者正在不断蓄力。成熟制程领域粥多僧多，竞争正处于前所未有的激烈。

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在代工领域，英特尔长久以来都是只给自己代工，但是去年英特尔的IDM 2.0策略中，将晶圆代工业务重启。英特尔在今年公布了2022第一季的代工业务表现，从去年的1.03亿美元增至2.83亿美元，同比暴涨175%，虽然相比台积电、联电仍有较大差距，但已逐步逼近了力积电等厂商。根据英特尔对投资人公布的统计数据显示，主要来自思科、亚马逊等30多家客户的订单。这还不包括收购的Tower Semiconductor，若再完成合并高塔半导体，整体体量会更大，将逐步进逼力积电、联电等台厂。

晶圆厂的大幅扩产也反映到了设备市场中，光刻机设备供应商ASML一季度卖出了62台光刻机，实现净销售额35亿欧元，净利润6.95亿欧元，新增订单金额70亿欧元，其中25亿欧元来自0.33 NA和0.55 NA EUV系统订单以及大量的DUV订单，这反映了市场对先进和成熟节点持续性的强劲需求。

随着新工艺节点的不断推出，晶体管中原子的数量已经越来越少，种种物理极限制约着摩尔定律的进一步发展。

甚至有人认为摩尔定律已经结束了。

因此，为了「拯救」摩尔定律，工程师们不得不改变晶体管结构，继续减少面积和功耗，并提高其性能。

20世纪下半叶，主要流行平面晶体管设计(Planar Transistor)。跨入2010年代，3D鳍形器件(3D fin-shaped devices)逐渐替代了平面设计。

现在，一种全新的晶体管设计结构，即全环绕栅极晶体管(GAA)成为FinFET的继任者，并且即将投入生产。

但是，我们必须看得更远。因为即便是英特尔提出的这种全新晶体管架构RibbonFET，我们在缩小尺寸上的能力也有局限性。

要相信， 3D堆叠的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 或 CFET(互补场效应晶体管)将是把摩尔定律延伸到下一个十年的关键。

每个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)都有一套相同的基本部件:

栅极叠层 (gate stack) 、沟道区 (channel region) 、源极 (source) 、漏极 (drain)

源极和漏极经过化学掺杂，使它们要么富含移动电子(n型)，要么缺乏它们(p型)。沟道区具有与源极和漏极相反的掺杂。

2011年之前的先进微处理器中的平面版本晶体管中，MOSFET的栅极叠层刚好在沟道区的上方，是用来将电场投射到沟道区域。

向栅极施加足够大的电压 (相对于源极) ，就会在通道区域形成一层移动电荷载流子，这样就能让电流在源极和漏极之间流动。