推进半导体技术发展的五大趋势

过去几十年，全球半导体行业增长主要受台式机、笔记本电脑和无线通信产品等尖端电子设备的需求，以及基于云计算兴起的推动。这些增长将继续为高性能计算市场领域开发新应用程序。

首先，5G将让数据量呈指数级增长。我们需要越来越多的服务器来处理和存储这些数据。2020年Yole报告，这些服务器核心的高端CPU和GPU的复合年增长率有望达到29%。它们将支持大量的数据中心应用，比如超级计算和高性能计算服务。在云 游戏 和人工智能等新兴应用的推动下，GPU预计将实现更快增长。例如，2020年3月，互联网流量增长了近50%，法兰克福的商业互联网数据交换创下了数据吞吐量超过每秒9.1兆兆位的新世界纪录。

第二个主要驱动因素是移动SoC——智能手机芯片。这个细分市场增长虽然没有那么快, 但这些SoC在尺寸受限的芯片领域对更多功能的需求，将推动进一步技术创新。

除了逻辑、内存和3D互联的传统维度扩展之外，这些新兴应用程序将需要利用跨领域的创新。这需要在器件、块和SoC级别进行新模块、新材料和架构的改变，以实现在系统级别的效益。我们将这些创新归纳为半导体技术的五大发展趋势。

趋势一:摩尔定律还有用，将为半导体技术续命8到10年…

在接下来的8到10年里，CMOS晶体管的密度缩放将大致遵循摩尔定律。这将主要通过EUV模式和引入新器件架构来实现逻辑标准单元缩放。

在7nm技术节点上引入了极紫外(EUV)光刻，可在单个曝光步骤中对一些最关键的芯片结构进行了设计。在5nm技术节点之外(即关键线后端(BEOL)金属节距低于28-30nm时)，多模式EUV光刻将不可避免地增加了晶圆成本。最终，我们希望高数值孔径(High-NA) EUV光刻技术能够用于行业1nm节点的最关键层上。这种技术将推动这些层中的一些多图案化回到单图案化，从而提供成本、产量和周期时间的优势。

Imec对随机缺陷的研究对EUV光刻技术的发展具有重要意义。随机打印故障是指随机的、非重复的、孤立的缺陷，如微桥、局部断线、触点丢失或合并。改善随机缺陷可使用低剂量照射，从而提高吞吐量和成本。

为了加速高NA EUV的引入，我们正在安装Attolab，它可以在高NA EUV工具面世之前测试一些关键的高NA EUV材料(如掩膜吸收层和电阻)。目前Attolab已经成功地完成了第一阶段安装，预计在未来几个月将出现高NA EUV曝光。

除了EUV光刻技术的进步之外，如果没有前沿线端(FEOL)设备架构的创新，摩尔定律就无法延续。如今，FinFET是主流晶体管架构，最先进的节点在6T标准单元中有2个鳍。然而，将鳍片长度缩小到5T标准单元会导致鳍片数量减少，标准单元中每个设备只有一个鳍片，导致设备的单位面积性能急剧下降。这里，垂直堆叠纳米薄片晶体管被认为是下一代设备，可以更有效地利用设备占用空间。另一个关键的除垢助推器是埋地动力轨(BPR)。埋在芯片的FEOL而不是BEOL，这些BPR将释放互连资源路由。

将纳米片缩放到2nm一代将受到n-to-p空间约束的限制。Imec设想将Forksheet作为下一代设备。通过用电介质墙定义n- p空间，轨道高度可以进一步缩放。与传统的HVH设计相反，另一个有助于提高路由效率的标准单元架构发展是针对金属线路的垂直-水平-垂直(VHV)设计。最终通过互补场效应晶体管(CFET)将标准cell缩小到4T，之后充分利用cell层面上的第三维度，互补场效应晶体管通过将n-场效应晶体管与p-场效应晶体管折叠。

趋势2: 在固定功率下，逻辑性能的提高会慢下来

有了上述的创新，我们期望晶体管密度能遵循摩尔所规划的路径。但是在固定电源下，节点到节点的性能改进——被称Dennard缩放比例定律，Dennard缩放比例定律（Dennard scaling）表明，随着晶体管变得越来越小，它们的功率密度保持不变，因此功率的使用与面积成比例；电压和电流的规模与长度成比例。

世界各地的研究人员都在寻找方法来弥补这种减速，并进一步提高芯片性能。上述埋地电力轨道预计将提供一个性能提高在系统水平由于改进的电力分配。此外，imec还着眼于在纳米片和叉片装置中加入应力，以及提高中线的接触电阻(MOL)。

二维材料如二硫化钨(WS2)在通道中有望提高性能，因为它们比Si或SiGe具有更强的栅长伸缩能力。其中基于2d的设备架构包括多个堆叠的薄片非常有前景，每个薄片被一个栅极堆叠包围并从侧面接触。模拟表明，这些器件在1nm节点或更大节点上比纳米片的性能更好。为了进一步改善这些器件的驱动电流，我们着重改善通道生长质量，在这些新材料中加入掺杂剂和提高接触电阻。我们试图通过将物理特性(如生长质量)与电气特性相关联来加快这些设备的学习周期。

除了FEOL, 走线拥挤和BEOL RC延迟，这些已经成为性能改善的重要瓶颈。为了提高通径电阻，我们正在研究使用Ru或Mo的混合金属化。我们预计半镶嵌(semi-damascene)金属化模块可同时改善紧密距金属层的电阻和电容。半镶嵌(semi-damascene) 可通过直接模式和使用气隙作为介电在线路之间(控制电容增加)

允许我们增加宽高比的金属线(以降低电阻)。同时，我们筛选了各种替代导体，如二元合金，它作为‘good old’ Cu的替代品，以进一步降低线路电阻。

趋势3:3D技术使更多的异构集成成为可能

在工业领域，通过利用2.5D或3D连接的异构集成来构建系统。这些有助于解决内存问题，可在受形状因素限制的系统中添加功能，或提高大型芯片系统的产量。随着逻辑PPAC(性能-区域-成本)的放缓，SoC 的智能功能分区可以提供另一个缩放旋钮。一个典型的例子是高带宽内存栈(HBM)，它由堆叠的DRAM芯片组成，这些芯片通过短的interposer链路直接连接到处理器芯片，例如GPU或CPU。最典型的案例是Intel Lakefield CPU上的模对模堆叠， AMD 7nm Epyc CPU。在未来，我们希望看到更多这样的异构SOC，它是提高芯片性能的最佳桥梁。

在imec，我们通过利用我们在不同领域(如逻辑、内存、3D…)所进行的创新，在SoC级别带来了一些好处。为了将技术与系统级别性能联系起来，我们建立了一个名为S-EAT的框架(用于实现高级技术的系统基准测试)。这个框架可评估特定技术对系统级性能的影响。例如:我们能从缓存层次结构较低级别的片上内存的3D分区中获益吗?如果SRAM被磁存储器(MRAM)取代，在系统级会发生什么?

为了能够在缓存层次结构的这些更深层次上进行分区，我们需要一种高密度的晶片到晶片的堆叠技术。我们已经开发了700nm间距的晶圆-晶圆混合键合，相信在不久的将来，键合技术的进步将使500nm间距的键合成为可能。

通过3D集成技术实现异质集成。我们已经开发了一种基于sn的微突起互连方法，互连间距降低到7µm。这种高密度连接充分利用了透硅通孔技术的潜力，使>16x更高的三维互联密度在模具之间或模具与硅插接器之间成为可能。这样就大大降低了对HBM I/O接口的SoC区域需求(从6 mm2降至1 mm2)，并可能将HBM内存栈的互连长度缩短至多1 mm。使用混合铜键合也可以将模具直接与硅结合。我们正在开发3µm间距的模具到晶圆的混合键合，它具有高公差和放置精度。

由于SoC变得越来越异质化，一个芯片上的不同功能(逻辑、内存、I/O接口、模拟…)不需要来自单一的CMOS技术。对不同的子系统采用不同的工艺技术来优化设计成本和产量可能更有利。这种演变也可以满足更多芯片的多样化和定制化需求。

趋势4:NAND和DRAM被推到极限非易失性存储器正在兴起

内存芯片市场预测显示，2020年内存将与2019年持平——这一变化可能部分与COVID-19减缓有关。2021年后，这个市场有望再次开始增长。新兴非易失性存储器市场预计将以>50%的复合年增长率增长，主要受嵌入式磁随机存取存储器(MRAM)和独立相变存储器(PCM)的需求推动。

NAND存储将继续递增，在未来几年内可能不会出现颠覆性架构变化。当今最先进的NAND产品具有128层存储能力。由于晶片之间的结合，可能会产生更多的层，从而使3D扩展继续下去。Imec通过开发像钌这样的低电阻字线金属，研究备用存储介质堆，提高通道电流，并确定控制压力的方法来实现这一路线图。我们还专注于用更先进的FinFET器件取代NAND外围的平面逻辑晶体管。我们正在 探索 3D FeFET与新型纤锌矿材料，作为3D NAND替代高端存储应用。作为传统3D NAND的替代品，我们正在评估新型存储器的可行性。

对于DRAM，单元缩放速度减慢，EUV光刻可能需要改进图案。三星最近宣布EUV DRAM产品将用于10nm (1a)级。除了 探索 EUV光刻用于关键DRAM结构的模式，imec还为真正的3D DRAM解决方案提供了构建模块。

在嵌入式内存领域，我通过大量的努力来理解并最终拆除所谓的内存墙，CPU从DRAM或基于SRAM的缓存中访问数据的速度有多快?如何确保多个CPU核心访问共享缓存时的缓存一致性?限制速度的瓶颈是什么? 我们正在研究各种各样的磁随机存取存储器(MRAM)，包括自旋转移转矩(STT)-MRAM，自旋轨道转矩(SOT)-MRAM和电压控制磁各向异性(VCMA)-MRAM)，以潜在地取代一些传统的基于SRAM的L1、L2和L3缓存(图4)。每一种MRAM存储器都有其自身的优点和挑战，并可能通过提高速度、功耗和/或内存密度来帮助我们克服内存瓶颈。为了进一步提高密度，我们还在积极研究可与磁隧道结相结合的选择器，这些是MRAM的核心。

趋势5:边缘人工智能芯片行业崛起

边缘 AI预计在未来五年内将实现100%的增长。与基于云的人工智能不同，推理功能是嵌入在位于网络边缘的物联网端点(如手机和智能扬声器)上的。物联网设备与一个相对靠近边缘服务器进行无线通信。该服务器决定将哪些数据发送到云服务器(通常是时间敏感性较低的任务所需的数据，如重新培训)，以及在边缘服务器上处理哪些数据。

与基于云的AI(数据需要从端点到云服务器来回移动)相比，边缘 AI更容易解决隐私问题。它还提供了响应速度和减少云服务器工作负载的优点。想象一下，一辆需要基于人工智能做出决定的自动 汽车 。由于需要非常迅速地做出决策，系统不能等待数据传输到服务器并返回。考虑到通常由电池供电的物联网设备施加的功率限制，这些物联网设备中的推理引擎也需要非常节能。

今天，商业上可用的边缘 AI芯片，加上快速GPU或ASIC，可达到1-100 Tops/W运算效率。对于物联网的实现，将需要更高的效率。Imec的目标是证明推理效率在10.000个Tops /W。

通过研究模拟内存计算架构，我们正在开发一种不同的方法。这种方法打破了传统的冯·诺伊曼计算模式，基于从内存发送数据到CPU(或GPU)进行计算。使用模拟内存计算，节省了来回移动数据的大量能量。2019年，我们演示了基于SRAM的模拟内存计算单元(内置22nm FD-SOI技术)，实现了1000Tops/W的效率。为了进一步提高到10.000Tops/W，我们正在研究非易失性存储器，如SOT-MRAM, FeFET和基于IGZO（铟镓锌氧化物）的存储器。

TWS为”True Wireless Stereo”的缩写，是“真正的无线立体声”的意思。

2016年蓝牙技术联盟在伦敦正式发布了最新的蓝牙5.0技术标准。官方表示，全新蓝牙5.0标准在性能上将远超蓝牙4.2LE版本，包括在有效传输距离上将是4.2LE版本的4倍。

从蓝牙1.0 到5.0：

蓝牙5.0性能全方位提升

传输能力：蓝牙5.0 在低功耗模式下具备更快更远的传输能力，传输速率是蓝牙4.2 的两倍，有效传输距离是蓝牙4.2 的四倍，数据包容量是蓝牙4.2 的八倍。

室内导航：支持室内定位导航功能，结合WiFi 可以实现精度小于1 米的室内定位.

智能家居：针对IoT 物联网进行底层优化，力求以更低的功耗和更高的性能为智能家居服务。

蓝牙的应用场景

蓝牙5.0的高传输带宽也让TWS真无线蓝牙耳机的双边通话成为了可能，目前市面上主要BT-TWS蓝牙耳机和使用蓝牙5.0手机型号如下：

国内重点公司介绍：

1. 立讯精密

AirPods初始组装供应商为中国台湾的英业达，歌尔2018年导入，当前产能和良率仍在爬坡；立讯17年导入供应链并且受益于产线自动化的优势，预期将充分受益于AirPods的爆发。

立讯精密2019年第一季度实现营业收入90.19亿元，同比增长66.90%；归属于上市公司股东的净利润6.16亿元，同比增长85.04%；落在之前指引区间（70%~90%）的高位区间！一季度营收以及利润的增长主要得益于airpods的放量，同时立讯指引2019年1-6月归属于上市公司股东的净利润为14.0~15.7亿，同比增长70%~90%，大部分受益于airpods等新品的利润率爬坡，立讯凭借自身强大的项目落地能力使得公司业绩能够继续实现快速增长。

公司以连接器起家，不断丰富其产品线。公司19年开始有LCP天线、无线充电、线性马达等多个新品导入，我们判断公司新品良率提升超出预期；在声学方面，公司持续拓展声学组件和振动马达的市场份额，积极完善技术以及提升产品良率，努力缩小与行业龙头的距离。此外，公司还将继续受益AirPods的份额继续提升和上量。公司与大客户合作多年，产品技术以及服务都收到了客户的认可，未来份额也有望继续提升。

公司在通信和 汽车 的长线业务开始取得进展，其中通信业务全面布局有线、无线和光模块业务，已经在海外几家主力设备客户中取得积极进展。5G时代有望成长新的利润增厚。光模块方面，基站侧目前以6G/10G 为主，未来有望逐渐升级到25G/100G。公司5G 基站用滤波器产品已有部分产品小批量出货。在新能源 汽车 领域，公司与国内客户新产品线进展顺利。随着新能源 汽车 持续放量，国内外客户逐渐导入，有望成为新的增长动力。

2. 兆易创新

每颗耳机均需要一颗128M NOR Flash用来存储固件及相关代码，每一快屏幕需要一颗8-16M NOR用于demura光学补偿，且由于低功耗要求高目前格局良好，A股龙头厂商正在加速切入、份额超预期。

新款airpods 发布，相关第三方机构第一时间进行细致拆解，我们认为从中能够石锤TWS耳机对高阶128M NOR flash的需求拉动，同时除苹果外基于联发科及高通CSR平台的产品亦采用了类似方案，我们继续强调，TWS耳机将成为消费电子2019-2020年的一抹亮色、同时亦将成为高阶NOR的X因素。

主业“存储+IoT”业务逆势向上，产品结构+新产品放量突破。兆易作为典型高 科技 成长性公司，成长路线由16年NOR到17年NAND到18年DRAM，市场空间将按照十倍打开。公司主业围绕“存储+IoT”逐步完善“存储-处理-传感-传输”布局，2005年来从SRAM→NOR→MCU→NAND，新品持续迭代推出。而这也正是我们一直以来强调优质 科技 公司高 科技 红利转化效率、成长性突出的本质。强执行力下产品结构优化、工艺迭代带来的成本下降是公司核心竞争力所在，四季度公司高阶NOR Flash占比继续提升、SLC NAND进一步放量，有望继续实现稳健成长。

得DRAM者得天下，三大领域需求驱动DRAM继续成长。2017年开启全球半导体第四次硅含量提升周期，物联网、AI、智能驾驶与5G四大核心创新应用将驱动数据量指数式增长，进而驱使全球存储器需求大爆发，第四次硅含量提升周期内，存储器芯片将成为推动半导体集成电路芯片行业上行的主要抓手。第四波硅含量提升周期的四大核心创新驱动是AI、物联网、5G与智能驾驶，从人产生数据到接入设备自动产生数据，数据呈指数级别增长！智能驾驶智能安防对数据样本进行训练推断、物联网对感应数据进行处理等大幅催生内存性能与存储需求。

并购思立微切入AI人机交互，打造“MCU-存储-交互”一体化解决方案。思立微为国内市场领先的智能人机交互解决方案供应商，产品以触控芯片和指纹芯片等新一代智能移动终端传感器SoC芯片为主。本次收购有助于兆易丰富芯片产品线，拓展客户和供应商渠道，在整体上形成完整系统解决方案。上海思立微将一定程度上补足兆易在传感器、信号处理、算法和人机交互方面的研发技术，提升相关技术领域的产品化能力。

3. 歌尔股份

声学器件与MEMS为国内领先厂商。声学器件不断升级，加入立体声、防水、智能化等创新，公司具备先进声学器件设计与生产能力，在大客户中份额领先；同时，公司在微电子领域持续加强布局，MEMS麦克风、MEMS动传感器占据市场领先地位，并在半导体芯片研发和封测和SIP方面加强投入，未来有望保持持续成长。

随着无线蓝牙耳机的兴起，歌尔领先布局TWS耳机整机设计组装及核心声学元件，在市场占有绝对领先地位，并为客户提供整体技术解决方案，有望迎来新的业绩增长点。

公司积极布局AR\VR市场。根据中国信息通信院的最新数据显示，全球虚拟现实产业规模接近千亿元人民币，2017-2022年均复合增长率有望超过70%。在整体规模方面，根据Greenlight预测，2018年全球AR\VR市场规模超过700亿元人民币，同比增长126%，预计2020年全球虚拟现实产业规模将超过2000亿元，歌尔全面布局虚拟现实产业链，并积极投入研发和生产，有望带来新的成长动能。

4、瀛通通讯

电声元器件行业领先玩家。瀛通通讯是国内领先的专业从事声学产品、数据线及其他产品的研发、生产和销售的先进制造企业。公司专注于以耳机用微细通讯线材为代表的各类电声产品、数据线及其他产品的研发、生产和销售。根据2018年快报，公司营收为9.02亿元，同比增长25.01%，收入的大幅增长主要受益于声学产品销售量持续增加，2018年归母净利润为65.29%，同比下降23.9%。利润下降主要是受原材料成本的提升和公司新事业部成立而产生的早期成本。随着下游无线耳机需求上升，预期2019年营收及利润会实现大幅增长。

TWS提供耳机用声学产品新动力。随着智能机外观功能的不断进化，配件也不断升级，加上用户对耳机轻便化的需求，无线耳机应运而生。根据GFK数据，2016年无线耳机出货量仅918万台，市场规模不足20亿元。GFK预计2018年无线耳机出货量同比增加41%，市场规模将达54亿美金。到了2020年TWS无线耳机的市场规模将达到110亿美金。预计随着无线耳机音质以及功能性持续改善，未来无线耳机的渗透率有望继续提升，随着无线耳机市场的不断扩大，耳机用声学产品市场也将水涨船高。

积极扩产为需求储备产能。随着终端产品出货量不断上升，未来预期也将持续上涨，公司目前产能难以满足未来市场需求，另一方面，电声元器件行业主要采取以销定产的业务模式，为配合核心客户偶发大额订单的及时交付，公司需保留一定的产能d性，也使得产能扩充成为必要需求，因此公司于2017年进行IPO为产能扩张项目募资。通过募投项目的实施，公司产品覆盖产业链的范围将产品由生产链中上游向下游逐步延伸，有助于提升公司在产业链中的地位和知名度，缩短与核心客户的合作半径。相信公司在坚持研发、精益管理的前提下不断进行产能的扩充能使公司获得更好的规模效益

5、共达电声

2019年一季度扭亏为盈。公司是专业的电声元器件及电声组件制造商和服务商、电声技术解决方案提供商，主营业务为微型电声元器件及电声组件的研发、生产和销售，主要产品包括微型麦克风、车载麦克风、微型扬声器/受话器及其阵列模组，广泛应用于移动通讯设备及其周边产品、笔记本电脑、平板电视、个人数码产品、 汽车 电子等消费类电子产品领域。2018 年实现营业收入8.05亿元，同比增长2.27 %；实现归母净利润0.21亿元。同时公司发布一季度业绩指引，预计实现归属上市公司股东净利润0-300万元，同比增长100%-120.69%，实现扭亏为盈。

收购万魔声学，垂直整合产业链。万魔声学是一家主要从事耳机、音箱、智能声学类产品以及关键声学零部件的研发设计、制造和销售的企业，除小米公司外,万魔还成功开发了ODM业务客户华为、亚马逊、爱奇艺、华硕、酷我、咕咚、网易、京东、腾讯等知名客户。共达电声拟通过向万魔声学全体股东发行股份的方式,收购万魔声学100%股权。共达与万魔声学处于产业链的上下游,双方合体后,将真正在业务上实现协同效应。万魔声学预计2019年-2021年净利润分别为1.5亿元、2.2亿元和2.8亿元。

半导体分立器件制造行业主要上市公司:目前国内半导体分立器件制造行业上市公司主要有华润微(688396)、士兰威(600460)、科技(300373)、华微电子(600360)、信捷能(605111)、苏州固锝(002079)。

本文核心数据:半导体分立器件出货量、市场规模、区域分布。

1.英飞凌推动全球分立器件性能提升。

全球分立半导体器件诞生于上世纪中叶。20世纪50年代，功率二极管和功率三极管问世，并应用于工业和电力系统。六七十年代，晶闸管等分立器件发展迅速；20世纪70年代末，开发了平面功率MOSFET。80年代后期，沟槽功率MOSFET和IGBT逐渐出现，分立器件正式进入电子应用时代。90年代，超结MOSFET逐渐出现，打破了传统的“硅极限”，满足了大功率、高频的应用要求。2008年，英飞凌率先推出屏蔽栅功率MOSFET，分立器件性能进一步提升。

2.分立器件的全球供需明显受疫情影响。

-由于疫情，全球供应疲软。

新冠肺炎疫情对全球经济产生了巨大影响，包括半导体分立器件在内的许多行业都受到了负面影响。根据Statista的预测数据，2020年全球分立半导体器件出货量将达到4630亿。

随着病毒在全球传播，全球供应链中断，隔离期仍不确定。为了遏制新冠肺炎的蔓延，全球许多制造工厂都采取了停工控制措施。例如，由于马来西亚、中国和菲律宾的政府订单，安美半导体的大部分制造设施被关闭，影响了其向客户供应产品的能力。https://iknow-pic.cdn.bcebos.com/1e30e924b899a901545b9da60f950a7b0208f530?x-bce-process=image%2Fresize%2Cm_lfit%2Cw_600%2Ch_800%2Climit_1%2Fquality%2Cq_85%2Fformat%2Cf_auto

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