什么是逻辑半导体？

什么是逻辑半导体？

2024/07/10

什么是逻辑半导体

执行逻辑运算的大脑。主流半导体器件

　半导体是一种介于电流很小的绝缘体和导体之间的物质的名称，就电流的容易流动而言。一般来说，当我们谈论半导体时，我们通常指的是内置电路的半导体薄片或芯片，或由它们制成的产品。您可能见过一种小而薄的方形板，带有许多金属腿。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，已成为我们生活的重要组成部分。

　当逻辑半导体在 20 世纪 60 年代出现时，它们取代了此前用于逻辑运算的真空管电路，使信息和通信设备变得更小，并且随着它们的发展，它们还提高了性能并降低了功耗。它也变得更便宜，现在被广泛用于各种电子设备中。

　除了逻辑半导体之外，还有各种其他类型的半导体，例如存储信息的存储器半导体和转换电力的功率半导体，但作为当今数字时代背后的驱动力，逻辑半导体可以说是半导体的主流。

类型	功能	已安装产品的示例
逻辑	控制行为	电脑、智能手机、家用电器等
内存	存储信息	PC、智能手机等
电源	电力转换	电动汽车、火车等

逻辑半导体的社会环境和问题

　近年来，由于社会数字化的进步和人工智能的普及，所需的计算量迅速增加。比如最近备受关注的ChatGPT这样的生成式AI，需要巨大的计算量来开发和运行，计算资源从世界各地汇聚，正在被陆续生产和使用。

　人工智能的使用预计将从当前计算机和智能手机上的交互扩展到机器人、汽车等的操作。这将增加对能够执行高速计算的逻辑半导体的需求。我们已经处于竞争的境地，即使我们生产越来越多，也无法满足世界的需要，而且将来会变得更加困难。

　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，各国都在采取措施确保逻辑半导体的稳定供应。

　这就是逻辑半导体目前备受关注的原因，因为各国已开始进行巨额投资以稳定逻辑半导体的供应链，以应对人工智能快速渗透所带来的快速增长的需求。

　日本拥有众多优秀的半导体制造设备制造商，材料制造商也拥有全球份额，逻辑半导体的制造离不开日本技术。另一方面，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。

　2022年8月，日本8家主要企业投资成立半导体制造商Rapidus株式会社，在与海外企业建立战略合作伙伴关系的同时，再次致力于生产尖端逻辑半导体。

由于持续小型化而提高了性能。至 2 nm 代

　缩放是指减小晶体管尺寸、减小电路面积以及将更多电路封装到单个半导体中。迄今为止，各国一直在竞相研发小型化技术，以便根据全球技术路线图，在三年左右将面积减半。当时，作为特征尺寸被选为开发目标的数值之一是控制晶体管的电极（栅电极）的长度，称为栅极长度。

　栅极电极和栅极长度如图左侧的平面结构晶体管所示。随着栅极长度减小，整体尺寸也减小。然而，收缩是有限度的。在逻辑半导体中，晶体管通过栅电极控制流过硅的电流，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，他们引入了三维结构，并用栅电极包围了电流流动的部分，以增加其电流控制能力。

　到了32nm一代，它都是平面结构，但从接下来的22nm一代开始，美国英特尔引入了鳍式结构。目前最先进的是 3 nm 一代，韩国三星推出了纳米片结构。纳米片结构预计将成为未来 2 纳米一代的主流。

　顺便说一句，栅极长度的减少并不像技术一代的名称那么先进。然而，通过开发和引入能够提高小型化以外性能的技术，例如设计晶体管和电路的结构和配置，我们已经实现了名副其实的性能。

　2 nm 代技术由 IBM 于 2021 年在美国开发。Rapidus 通过与 IBM 的技术合作，迎接大规模生产 2 nm 代逻辑半导体的挑战。展望2纳米一代之后，比利时半导体研究机构imec宣布了缩小到小于1纳米埃单位的技术路线图（1埃是1纳米的十分之一），基于小型化的逻辑半导体的演进似乎还将继续。

旨在确保日本先进的半导体技术

　到目前为止，我们关注的是逻辑半导体的制造过程，但为了使半导体发挥作用，决定在其上放置什么样的电路的设计过程也很重要。假设您想要一种独特的逻辑半导体，并将制造外包给制造商（代工厂，专门从事制造的公司），但您自己设计。然而，即使没有制造工厂那么大，设计也需要大型且昂贵的环境（大量专用软件、运行它的计算机、检查操作的设备等）。因此，人们认为有很多公司即使想设计也做不到。

因此，AIST致力于创建一个可供企业和大学使用的开放式设计基地。我们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将于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。 (2023/03/17 新闻稿）

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

自 2002 年以来，AIST 一直在运营超级洁净室 (SCR)，这是与 AIDC 配对的用于制造逻辑半导体的共享设施。然而，虽然我们提供的技术在当时是尖端的，但现在已经过时了。因此，我们于2023年10月成立了先进半导体研究中心（SFRC），重点建设2纳米一代的共享中试线。此外，着眼于子孙后代，我们正在对从材料到电路等必要的基础技术进行研究和开发。在研发方面，我们参加了技术研究协会“最新半导体技术中心（LSTC）”，并与参与其中的国内公司和大学密切合作。

　这样，我们不仅通过研究和开发来提高工业界和学术界的技术水平，而且通过AIDC和SCR等共享设施将技术落实到社会，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。