逻辑半导体：从3nm到2nm的技术演进

逻辑半导体：从3nm到2nm的技术演进

逻辑半导体是执行逻辑运算的半导体器件，广泛应用于计算机、智能手机、家用电器和汽车等领域。随着人工智能等技术的快速发展，对高性能逻辑半导体的需求日益增长。本文将为您详细介绍逻辑半导体的基本概念、发展历程以及未来的技术趋势。

半导体的主要类型

半导体是指电导性介于绝缘体（电流几乎不流动）和导体（电流流动较好）之间的物质。一般而言，半导体通常是指内置电路的半导体薄片或芯片，或由它们制成的产品。在这些半导体中，“逻辑半导体”是指执行逻辑运算的半导体。逻辑半导体用于控制各种产品的运行，包括计算机和智能手机、家用电器和汽车，已成为人们生活的重要组成部分。

逻辑半导体自20世纪60年代问世以来，已经逐渐取代了此前用于逻辑运算的真空管电路，使得信息和通信设备变得更小巧，并且随着其发展，实现了更高性能和更低功耗。此外，逻辑半导体的成本也大幅降低，开始被广泛应用于各种电子设备中。

除了逻辑半导体之外，半导体领域还包括用于存储信息的存储半导体和用于转换电力的功率半导体等各种类型，但逻辑半导体作为当今数字时代的推动力，可以说是半导体的主流。

围绕逻辑半导体的社会环境和问题

近年来，随着社会数字化的发展和人工智能（AI）的普及，所需的计算量急剧增加。比如像最近备受关注的ChatGPT这样的生成式AI就需要大量的计算来开发和运行，而这些计算资源从世界各地汇聚，正在陆续生产和投入使用。

人们普遍认为，AI的应用最终将从当前的计算机和智能手机上的交互扩展到机器人、汽车等的操作。因此，具有高速计算能力的逻辑半导体将变得日益重要。目前无论生产多少都已经无法满足全世界的需求，市场竞争异常激烈，但未来预计将变得更加严峻。

这是因为尖端逻辑半导体是由有限数量的国家/地区的有限数量的公司制造的。考虑到这种情况，从经济安全角度来看是一个很大的风险，因此各国开始采取行动以确保逻辑半导体的稳定供应。

为了应对AI快速渗透带来的快速增长的需求，世界各国已开始进行巨额投资以稳定逻辑半导体供应链，这就是当前逻辑半导体备受关注的原因。

日本拥有许多优秀的半导体制造设备制造商，而且在材料制造方面也拥有全球市场份额，逻辑半导体的制造离不开日本技术。然而，由于种种因素，日本国内还没有一家能够自行制造尖端逻辑半导体的公司。

因此，日本8家大型企业在2022年8月共同投资成立了半导体制造企业——Rapidus株式会社，在与海外企业建立战略合作伙伴关系的同时，致力于再次生产尖端逻辑半导体。

通过不断小型化，实现更高性能，迈向2nm制程

小型化是缩小晶体管的尺寸来减小电路面积，从而将更多电路的电路封装到单个半导体中的技术手段。迄今为止，世界各国都在竞相研发小型化技术，根据全球技术路线图，力争在三年左右将面积减半。作为特征尺寸被选为开发目标之一的是控制晶体管的电极（栅电极）的长度，被称为栅极长度。

晶体管结构的转变

栅电极和栅极长度如图左侧的平面结构晶体管所示。随着栅极长度的减小，整体尺寸也随之减小。然而，收缩是有限度的。在逻辑半导体中，晶体管通过使用栅电极来控制流经硅的电流，其作用类似于开关。然而，随着栅极长度变短，关断电流变得更加困难。因此，各国引入了三维结构，并用栅电极完全包围电流流动的部分，从而增强其电流控制能力。

32nm之前都是平面结构，但从接下来的22nm之后，美国的英特尔引入了鳍型结构。目前最先进的是3nm，其中韩国三星推出了纳米片结构。纳米片结构预计将成为未来2nm的主流。

除了小型化之外，通过开发和引入可以提高性能的技术，例如改进晶体管和电路的结构和组成，提升了性能。

2nm技术由美国IBM在2021年开发。Rapidus公司正在通过与IBM的技术合作来应对大规模生产2nm逻辑半导体的挑战。对于2nm之后的未来，比利时的半导体研究机构imec发布了下至小于1nm的埃单位的技术路线图（1埃是1nm的十分之一），看来以小型化为基础的逻辑半导体的发展还将继续。

确保日本尖端半导体技术

到目前为止，各国在制造逻辑半导体时关注的是制造工艺，但决定在半导体上放置什么样的电路的设计过程对于发挥半导体的功能同样重要。当想要一种专属的逻辑半导体时，通常会将制造外包给制造商（专门从事制造的公司，代工厂），但设计则需要自己来完成。然而，虽然不像制造工厂那么大，但设计也需要大型且昂贵的环境（许多专用软件、运行它的计算机、检查操作的设备等）。因此，许多公司可能因为缺乏这些资源而无法进行设计。

因此，产综研致力于创建一个可供企业和大学使用的开放式设计基地。与东京大学合作成立了“人工智能芯片设计开放创新实验室（AIDL）”，并在其中设立了“人工智能芯片设计中心（AIDC）”。AIDC自2023年4月开始全面运营，为企业提供逻辑半导体设计环境并支持其开发。

AIDL除了运营AIDC外，还进行设计技术的研发。例如，芯粒（chiplet）技术。这涉及到切割许多逻辑半导体中常用的功能，将它们制作成小芯片（芯粒），然后将它们组合起来形成单个半导体。由于芯粒是大批量生产的，因此可以降低成本，并最终降低半导体的成本。

产综研自2002年开始一直在运营与AIDC相对应的用于逻辑半导体制造的共享设施“超净室（SCR）”。然而，所提供的技术尽管当时曾处于最前沿，但如今已显得过时。因此，产综研于2023年10月成立了“先进半导体研究中心（SFRC）”，重点建设2nm的共享中试线。

此外，展望未来，产综研正在研究和开发从材料到电路的必要基础技术。在研发方面，产综研参加了技术研究协会“最先进半导体技术中心（LSTC）”，并与参与其中的国内企业和大学密切合作。

因此，除了研发外，产综研还将通过AIDC和SCR等共享设施将技术落实到社会，提高工业界和学术界的技术水平，确保日本最先进的半导体技术，为日本的经济安全做出贡献。