[半导体综述系列] SK海力士详解半导体世界的芯片本质

设想一下，如果没有了智能手机、电脑或互联网，世界会变成怎样？显而易见，缺失这些必需品的生活是无法想象的。然而，如果没有半导体作为推动众多科技发展的引擎，世界无疑便会陷入无法想象的境地。尽管半导体芯片在生活中很常见，但它们的起源、用途、意义等仍然鲜为人知。通过六篇文章，“半导体综述系列”将采用六何分析法（5W1H分析法）对半导体相关知识展开讲解，旨在介绍这项关键技术的基础知识。

半导体的起源犹如一粒沙，但最终却演变成一项影响全球人类生活的革命性技术。如同复杂的微芯片由不同元件组成一样，半导体综述系列第二篇文章将详细解析半导体的关键方面。从半导体的类型、功能和规格，到行业挑战和未来趋势，我们将更深入地了解现代科技的基础知识。

半导体有哪些不同类型？

半导体可以根据其材料成分和材料纯度的不同进行分类。不过，最常见的分类方式之一还是基于它们的功能。根据此标准，半导体芯片主要有三种类型：存储器、逻辑芯片，以及一个更宽泛的类别，其中包括了分立、模拟和其他（DAO, Discrete, Analog, and Other）芯片。

- 存储器：顾名思义，是为数据储存而优化设计的芯片，以确保系统可以永久或临时保存数据，并能够快速访问已储存的数据。这些芯片被分为易失性存储器和非易失性存储器。这部分内容，将在本文后续进行深入探讨。
- 逻辑芯片：因其具备信息处理和计算能力，能够执行多种任务，这类芯片被誉为电子产品的“大脑”，计算机中的主要逻辑芯片是CPU¹。然而随着GPU²的不断发展，其重要性日益凸显，并可应用于包括AI在内的更多领域。这得益于GPU的并行处理能力，使其能够同时处理大量数据。
- DAO：与存储器和逻辑芯片相比，DAO芯片更简易，且应用更广泛。分立芯片是指用于单一特定任务的基础器件，可在较大电路中独立运行。而模拟芯片则是可以将包含音频在内的模拟信息，转换为二进制代码。最后，“其他”类别里则包括将光转换为数字信号的光电芯片，以及用于检测热量和压力等环境变化的各种传感器。

¹Central processing unit (CPU)：一种硬件组件，是一个设备的核心计算单元。
²Graphics processing unit (GPU)：一种通过执行数学计算来渲染计算机图形和图像的计算机芯片。

这些不同类型的芯片通常会作用于一个设备，共同确保系统的平稳运行。

根据功能划分的半导体主要类别概述：存储器，逻辑半导体，DAO

半导体存储器的实际作用是什么？

半导体存储器在计算机、智能手机和服务器等设备中扮演着存储数据的重要角色。就其存储功能而言，半导体存储器可根据其断电时数据保存能力分为两种主要类型。

- 易失性存储器：临时存储，需持续供电才能保存存储信息。由于其迅捷的读写速度，通常在系统运行时被用于存储活动数据和程序指令。随机存取存储器（RAM）³是最常见的易失性存储器，可进一步细分为动态随机存取存储器（DRAM）⁴和静态随机存取存储器（SRAM）⁵。
- 非易失性存储器：即使断电也能永久保留数据的存储器。其中，最常见的是专门为读取数据而设计的只读存储器（ROM）⁶。同时，包括NAND闪存在内的闪存（Flash），也是一种可以读写数据的非易失性存储器。由于具备这些功能，NAND闪存被应用于USB驱动器、内存卡和固态硬盘（SSD）中。

³随机存取存储器 (RAM, Random Access Memory)：计算机的主存储器，不论存储顺序如何，CPU都可直接并快速地访问其中的数据。
⁴动态随机存取存储器 (DRAM, Dynamic Random Access Memory)：一种用作计算机主存储器的RAM。虽然DRAM比SRAM更具成本效益且容量更大，但需要定期刷新以保存所存储的数据。
⁵静态随机存取存储器 (SRAM, Static Random Access Memory)：一种常被用作计算机高速缓冲存储器的RAM。与DRAM不同，不需要刷新即可保持数据存储状态，也进而能够提供更高性能和更低功耗。
⁶只读存储器 (ROM, Read-Only Memory)：一种储存永久数据且通常只能读取不能写入数据的计算机存储器。

除存储功能外，半导体存储器也在朝着适用于计算的方向发展。通常情况下，存储芯片只用于辅助CPU或GPU进行计算任务，例如执行复杂的数字计算。然而，像PIM⁷这类具备自身计算能力并能分担负载的解决方案已经问世。

⁷PIM(Processing-In-Memory)：一种在内存中集成处理器计算功能的下一代智能存储器。

半导体存储器的其他作用还包括快速的数据访问功能，其数据访问速度与存储单元读写数据的过程密切相关。一些半导体存储器产品还提供错误检查和纠正功能，以确保数据完整性并提高可靠性。

除了存储功能外，半导体存储器还具备多种潜在用途

衡量半导体存储器高性能的标准有哪些？

当一款半导体存储器产品被视为“高性能”时，究竟意味着什么？以下是一些可体现产品性能水平的关键规格。

速度：速度，是衡量存储器性能的关键指标。作为关键速度指标，读写速度分别代表了存储器访问和保存数据时的速度。其他常见的衡量标准还包括数据传输速率（信息在存储器和其他设备之间的传输速度）以及数据处理速度（处理已储存数据的速度），凭借超快的数据处理速度，SK海力士的HBM3E⁸在存储器领域的地位遥遥领先。
容量与密度：容量通常以字节为单位，代表设备中可以存储的最大数据量。而密度则是指存储设备的指定物理区域内可存储的数据量。于SK海力士而言，公司一直致力于挑战产品密度的极限，并于2023年开发出全球首款321层NAND闪存样品。
功耗效率：指存储器产品运行时使用电能的效率，通常用效能功耗比 —每瓦特的性能（Performance Per Watt）⁹来衡量。包括SK海力士在内的所有半导体公司都十分重视该指标，以优化产品性能并提升可持续性。其中，LPDDR5T¹⁰便是SK海力士的一款低功耗产品，该产品堪称世界上最快的移动DRAM，以低功耗和低电压特性而闻名。
可靠性：指存储器产品在规定时间内能无故障（产品使用过程中失效）按照所需标准运行的概率。衡量可靠性的一个常用指标是早期失效率（EFR），该指标可估算在用户环境中一年内设备发生故障的次数。为了保证产品可靠性，公司必须确保其产品符合行业标准，并进行各种测试。

⁸HBM3E：最新款第五代高带宽存储器(HBM)产品。HBM是一种高附加值、高性能存储器，通过硅通孔技术(TSV)垂直互联多个DRAM芯片，以提升数据处理速度。
⁹效能功耗比 (Performance Per Watt)：衡量每瓦特耗电量所处理计算量的指标。
¹⁰LPDDR5T(Low Power Double Data Rate 5 Turbo)：用于手机、平板电脑等移动设备的低功耗DRAM，致力于尽可能降低功耗。

速度和容量等关键指标体现了存储器的性能

半导体制造面临哪些重要挑战？

从努力持续扩大规模到应对供应链中断，在追求发展的道路上，半导体公司面临着各种挑战。以下是一些影响半导体制造过程的主要问题。

持续微细化

随着科技的不断进步，人们对体积更小、性能更高的半导体需求日益增长。然而，由于物理和技术上的限制，半导体微细化——即提升性能的同时实现半导体器件小型化的过程，成为了一项极具挑战的任务。为了持续扩大规模，制造商必须在设计、材料和制造方面进行持续创新和投资。

成本增加

由于光刻机等设备成本高昂，对于半导体公司而言，这种大规模投资构成了另一项挑战。从更广泛的层面看，开发下一代半导体技术涉及到新材料和制造工艺的研发，需要巨额资金投入。此外，生产数量日益增多的半导体产品的工厂，即晶圆厂，如今也需要数十亿美元的投资。

提升可持续性

半导体产品产量的不断攀升给制造商带来了另一个棘手问题，即如何有效管理对环境的影响。半导体行业正共同努力提高可持续发展的能力，包括减少碳排放和废物处理。然而，在保持生产效率并满足监管要求的同时，如何有效实施这些措施对半导体公司来说是一项持续性挑战。

供应链中断

新冠疫情等全球性挑战，揭示了全球供应链的脆弱性。半导体制造依赖于错综复杂的供应商网络，以获取各种材料、设备和技术指导。一旦供应链内任何环节发生中断，都会导致产品短缺和价格波动。为加强供应链的韧性，各个公司正在采取多种措施，如实现供应商多元化、推行本地材料采购，及加强库存管理等手段。

为持续发展，半导体公司必须战胜生产制造环节面临的关键挑战

半导体技术的最新进展和未来趋势是什么？

在更高性能、效率及可拓展性需求的推动下，半导体领域正以迅猛的步伐不断进步，并催生新技术的蓬勃发展。

如今，人工智能的发展已成为全球焦点，而半导体存储器在确保人工智能未来发展方面发挥了至关重要的作用。各大半导体公司正在为人工智能和机器学习应用开发高性能芯片，以满足更高效的数据处理需求。尤其是SK海力士业界领先的HBM3E产品，其可快速处理和访问数据的特性，尤为适用于人工智能训练。公司计划于2025年开始量产下一代产品HBM4，并相信其HBM产品将继续推动人工智能技术的进步。

尽管有些人认为摩尔定律（Moore’s Law）¹¹已成为过去，但SK海力士的下一代封装技术正在突破微细化的极限。批量回流模制底部填充（MR-MUF，Mass Reflow-Molded Underfill）¹²等创新封装技术使公司在HBM市场占据主导地位，同时芯粒（Chiplet）¹³和混合键合（Hybrid Bonding）¹⁴等新兴技术也有望促进新产品的研发。

¹¹摩尔定律 (Moore’s Law)： 由英特尔联合创始人戈登·摩尔提出，该定律认为微芯片上的晶体管数量约每两年翻一倍。
¹²批量回流模制底部填充 (MR-MUF, Mass Reflow-Molded Underfill)： 批量回流焊是一种通过熔化堆叠芯片间的凸点以连接芯片的技术。通过模制底部填充技术，将保护材料填充至堆叠芯片间隙中，以提高耐用性和散热性。
¹³芯粒 (Chiplet)：一种按功能对芯片进行拆分，并使拆分芯片在同一个基板上互连，以实现异构键合与集成。
¹⁴混合键合 (Hybrid Bonding)： 一种无需凸点便可将芯片直接连接在一起从而实现更高带宽和容量的技术。

半导体技术也将在量子计算的发展中发挥关键作用。它将解决当前即使是最强的传统计算机也无法解决的问题。半导体材料已被用于这项新兴技术的试验中，使研究人员能够在室温下使用量子计算机。这将推动量子计算飞速发展，并带来一场潜在的技术革命。

半导体技术正在推动人工智能等各项技术的发展