寬能隙元件成小尺寸晶圓廠新希望

寬能隙元件成小尺寸晶圓廠新希望

https://www.digitimes.com.tw/col/article.asp?id=948

·       林育中

·       2018/9/27

寬能隙材料能應付高電壓、大電流、高切換速度等要求，讓既有製程大幅提升生產力、創造新價值。圖為寬能隙材料之一碳化矽礦石。Andrew Silver

在後摩爾定律時代，各式各樣的增加價值方式都被拿出來討論。其中有一塊是對於已經投入生產的龐大設備資產活化。方法包括自動化－以前150mm和200mm的設備自動化遠遜於300mm的，再加上人工智慧的增值，舊廠舊設備也能大幅提升生產力，創造新價值。

另一個方向是在這些已然故舊的製程、設備上創造新元件。在300mm的設備、非最先進製程上，談的最多的是矽光子、MRAM和量子電腦。而在150mm/200mm上，已經開始上線的就是寬能隙(wide band gap)元件了。

物質的導電性質是由物質的能帶(energy band)決定的。當價帶(valence band)與導電帶(conduction band)接觸－帶隙值為0，電子可以在各能帶間自由移動，這就是導體。當價帶與導電帶分離很遠－或者帶隙值很大，電子困於價帶無法自由移動，這就是絕緣體。帶隙值在兩者之間，導電或絕緣可以由外頭施加電壓來操控，這就是半導體。

過去半導體選用矽當材料是因為其能隙(energy gap)大小適中，矽的帶隙值為1.1eV，在室溫下性質穩定，操控的電壓也毋需太大。然而在新的應用需求下，譬如高電壓、大電流、高切換(switch)速度等要求，有更合適的材料來製做元件，這就是寬能隙材料。

寬能隙材料是指帶隙在2~7eV之間的半導體。兩種材料在科研界受注目已久，而在此時逐漸浮上產業檯面的SiC(Silicon Carbide)與GaN(Gallium Nitride)，它們的帶隙分別是3.023eV(6H) / 3.265 eV(4H)與3.4eV(SiC有6H和4H兩種結構)。寬能隙的好處是以它為材料製成的元件能夠耐受的電壓、電流和溫度都較矽大幅提升，用術語來説，它們的擊穿電壓(breakdown voltage)很高。而且它們切換的速度快、能耗低，這就構成了功率元件的基礎條件。

過去以矽為材料的功率元件包括二極體(bipolar)、功率晶體(power MOSFET)、絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor；IGBT)等，曾經也滿足了部分的需求。但是在未來的5G、電動汽車、再生能源、快速充電等新應用上，寬能隙元件都有機會取代矽基功率元件。

SiC發展的較早，在150mm上已開始生產，目前有廠商開始生產200mm的晶圓，所以200mm晶片的設計與生產也不是太久的事，GaN目前還在150mm上。但它優異的性能讓廠商迫不急待的商業化。

後摩爾定律時代增加價值的方式短期內將是百花齊放，但是有三個明顯的大領域已然先成形：3D、人工智慧與自動化，第三個則是材料，寬能隙元件正是其中顯眼的一個方向！

延禧攻略－賢弟吿退

快要投降了！

前幾集中後來補說繡坊只處理宮中的常服，正經的帝、后的朝服還要幾處織造紡就。説了這話，勉強輕饒過去。

沒承想傅恆竟出入長春宮！看《紅樓夢》中元妃省親，所有男眷都得迴避，這宮禁未免開得太寬鬆了！

才驚異不已，傅恆要辭富察皇后竟説：「賢弟告退。」怕是打字幕的錯，趕快倒帶，再聽一次，真的是講賢弟告退！枉費對白中引了那麼多文化素材，這一句全露饀了。

欺心不只這一處。乾隆在養心殿單獨召見高斌。髙斌竟路過儲秀宮！養心殿坐落於乾清宮西側，位於南側的外朝與北方的內宮之間，是以皇帝方便於此會外臣。而儲秀宮位於北方後宮中軸西側，像劇中髙斌那樣走法，只能是從後頭煤山側的神武門進來，一路穿越後宮。

後宮不設禁，乾隆要綠雲罩頂了！只不過看劇換了心情，一路笑得肚疼。Comedy，不是嗎？

人類源起隨筆

https://www.nature.com/articles/d41586-018-06763-w

我一向對人的來處有興趣，這是哲學的傳統命題。

最近這個發現我覺得著迷的是 Denisovan 與 Neanderthal 居然那麼的近距離的一起生活過，而且還可以繁衍後代。如果你沒跟上最近考古人類學的進度的話，讓我幫你追劇。Neanderthal 以前被認為是一支滅絕的人類，但近年來細胞核基因圖譜的硏究顯示歐、亞的人類都帶有 1~4% 的 Neanderthal 的基因。他們沒有滅絕，只是融入現代人的基因庫。Denisovan 是近幾年的發現，原先發現於阿爾泰山附近。拜近年基因工具發達之賜，我們得以分析其基因圖譜。他的基因也向南傳播，占1% 左右，但似乎沒有進入中國。

另一個重要的事是從哺乳類骨頭挑出人骨的工具 ZooMS (動物園質譜儀)。在科學上，工具與方法與科學發現本身一樣重要，因為一個新的工具與方法可能開啟了一整個科學的新領域。這次硏究團隊就是用 ZooMS 分析膠原蛋白，從一堆獸骨中發現了四根人骨。

所以現在的人類源起與以前的圖像很不一樣，是不？在最近兩次的近代人“出走非洲”之前，舊世界已滿佈“人類”，而且他們與近代人沒有因地理的分隔而變成新的物種。他們的血液還在我們之中。

矽光子與量子通訊－兼論產業發展政策的綜效

https://www.digitimes.com.tw/col/article.asp?id=946

·       林育中

·       2018/9/20

矽光子與量子通訊的發展雖然表面上應用差距很大，但是底層技術卻是息息相關。Joint Quantum Institute

日本政府制定後摩爾定律時代半導體發展的方向有三，MRAM、矽光子以及量子電腦。這3個方向有一些共同的特點：一為都需要新材料，而材料產業正是日本的強項；二是這些元件目前毋需先進的半導體製程，所以發展新元件時毋需先追趕已然落後的半導體製程；三為這些元件都適用於不久之後即將到來的高速安全通訊及計算。所以在製定策略時還有各領域發展的綜效。

更精細的聯結隱藏在矽光子與量子通訊之間。用量子電腦為名其實只是個概念性的通稱，量子信息(quantum information)才是全稱，它包括了量子計算、量子通訊以及量子感測(quantum sensing)。矽光子與量子通訊和量子計算的發展雖然表面上應用差距很大，但是底層的技術卻是息息相關。

矽光子與量子通訊都是光通訊的應用，但二者在技術的要求有所不同。一般矽光子的想法是，要儘量將長距離的光通訊訊號直接導入晶片之中，減少以前將光訊號轉換成電訊號後再以電訊號傳遞，所產生的能耗以及速度下降，能耗以及速度下降正是大量、高速通訊的罩門。因此矽光子儘量整合以前離散的光器件進入晶片。

在這個想法上，矽光子與量子通訊的要求是相同的。但是以前的矽光子由於是比較針對傳統的光通訊，光源強度越高越好，因此光源需要是雷射。但是由於矽的材料特性－間接帶隙(indirect band gap)－它無法產生雷射光，因此雷射光源整合進矽晶片中到目前一直都是個難題。至於在矽光子中偵測光訊號則相對簡單，用光子倍增器二極管(photon multiplier diode)即可，就是把光訊號放大。

量子通訊也是光通訊，所以所用元件大致也分為光源、調制器(modulator)和偵測器三部份，但是量子通訊要利用的是光子的量子性質，所以光源利用的是單一光子。要在矽上產生單一光子容易多了，可以用量子點，這很容易整合入矽晶片中。但偵測單一光子的量子性質難多了，無法用光子倍增器二極體測量，必須用在極低溫(2度K)的超導奈米線單光子偵測器(Superconducting Nanowire Single Photon Detector；SNSPD)，可能在短期的未來量子通訊與量子計算一樣，都需要維持在極低溫下操作。

即使在光源與偵測器上矽光子與量子通訊有很大的差異，但是在兩者之間種類繁複的調制器元件上二者相似的地方甚多，可以相互發明，這是在技術發展過程中可以產生綜效之處。另外，在市場上矽光子與量子通訊可能是殊途同歸，現在光通訊以矽光子技術減少能耗與加快速度，再加上安全的要求後，二者就合而為一了。這也可以看到日本政府制定後摩爾定律產業發展政策時的精細用心。

嵌入式記憶體的救贖－MRAM

https://www.digitimes.com.tw/col/article.asp?id=931

·       林育中

·       2018/9/6

MRAM從1995年進入研發領域的雷達，在晶片上面積的佔比已越來越高。GlobalFoundries

嵌入式記憶體是邏輯製程中不可或缺的一環，過去卻往往讓人忽略。但是邏輯製程推進日益艱辛，嵌入式記憶體製程推進的難處全浮上台面。主要是記憶體與主要的CMOS製程差距甚大，而單獨(stand alone)的記憶體與嵌入式記憶體的製程又不盡相同，無可借力，因此發展額外吃力。

但是正因為嵌入式記憶體發展遲緩，它在晶片上面積的佔比越來越高，引起注意。先是eFlash，eFlash當然是NOR Flash，是微處理器、微控制器中通常用來儲存程式碼的地方。到了40nm/28nm，有些應用中eFlash面積可能佔晶片面積的30%，快要反客為主了。而20nm以下，eFlash的微縮更加困難－事實上，獨立的NOR Flash現在最先進製程也不過45nm。兼之製程複雜，eFlash製程要於原本邏輯製程上外加9~12道光罩，寫入速度緩慢，又不耐久，需要替代工藝。

大部分代工廠在28nm這一技術節點，普遍都提出eMRAM此一菜單。eMRAM的製程和MRAM相似，加在邏輯製程中只需額外3道光罩，面積大概在50平方特徵尺寸(feature size)，速度快又耐用，資料存留10年，替代的理所當然。

eDRAM在40nm以下原來已被放棄，但在「全空乏絕緣上覆矽」(Fully Depleted Silicon On Insulator；FD-SOI)技術出來後似有復起之勢，用來替代邏輯線路中部分的SRAM，降低面積和功耗。但是獨立DRAM製程推進已十分吃力，至十幾nm已經非常艱困，而它的電容器因底面積縮小必須堆高以維持一定電容，這個與周遭的邏輯製程格格不入，MRAM此時又出來救援。

MRAM的刻板印象是永久記憶體，但是若願意降低其資料存留時間，則其寫入時間可以加快、寫入電流降低，這就活生像DRAM了。事實上，在eMRAM的寫入速度降到如DRAM的10ns時，其資料存留時間還有將近1天，也就是說eMRAM不必像DRAM時時需要資料更新(refresh)，因此同時節省大量更新電流所造成的功耗。5~7nm的世代，以eMRAM來做為中央處理器的L3高速緩存(cache)已經近乎定案。

SRAM的問題最棘手。目前有些SoC中的SRAM已佔晶片面積50%以上，而且情況持續惡化之中。16nm FINFET製程中SRAM的單元面積約為275平方特徵尺寸，預計到3nm時單元面積成長至約為675平方特徵尺寸，在晶片面積中的佔比會更高。這裡面有一部分的問題因為以eMRAM來做為L3高速緩存得到緩解，但是eMRAM的寫入速度能不能再高？寫入電流能不能再降？這是eMRAM能不能邁向取代L2高速緩存的關鍵。這個問題，我持審慎樂觀的態度。

MRAM從1995年進入研發領域的雷達，現在於嵌入式記憶體算是建立橋頭堡了。

獨立MRAM的應用

https://www.digitimes.com.tw/col/article.asp?id=943

·       林育中

     

MRAM在半導體製程嵌入式記憶體的應用算是站穩腳了，剩下的只是能替代幾層cache的問題。但是最早的MRAM產品是獨立記憶體的形式，雖然在第一代toggle MRAM－用電流產生磁場、進而翻轉磁矩－的能源效率不高，寫入電流高，單元面積也大，但是對於要求寫入速度快、永久儲存的利基市場已經初試啼聲。

隨著MRAM的技術演進，寫入電流大幅下降，需要提供驅動電流的CMOS也隨之變小，因而密度得以大幅提高。現在Everspin用28nm可以做出1Gb的STT MRAM，介面是現在DRAM常用的DDR4，這意味著它寫入速度已如DRAM一般，在10ns左右，更好的是它毋需定期更新(refresh)，節省能耗；讀取資料也不是破壞式的，因此也不必再重新寫入資料。

就如同一般新科技產品，剛開始時因為成本高，只能先攻取單價高的利基市場。一個典型的MRAM應用例子是數據中心的獨立硬碟隨機陣列(Random Array Independent Disk；RAID)。網路資料上傳時數據中心寫入固態硬碟中NAND的速度很慢，所以需要DRAM當資料緩衝記憶體。但是若發生斷電時，DRAM上正在處理的資料就會流失，對於處理重要數據如金融交易是不可承受之重，而這就是MRAM上場的時機了。去年Everspin發表的案例研究server storage accelerator道理與此相近。

IBM才發表的19TB SSD，也是用幾片Everspin的1Gb STT MRAM當成寫入緩衝記憶體，道理同樣是預防斷電時的資料流失。它還有另外的好處，一個以DRAM當寫入緩衝記憶體的硬碟如果要預防斷電資料流失，需要加裝超級電容(supercapacitor)，提供斷電後的電源讓DRAM中的資料能順利移轉到SSD中的NAND。但是超級電容很貴，超級電容加DRAM的價格便足以支持MRAM的使用。另外，超級電容體積很大，無法裝進Intel SSD M.2的規格，MRAM就沒這問題。

MRAM的製程還在快速進展之中，目前實驗看到的是，它可以持續下降到10nm以下，而且寫入電流翻轉磁矩的效率還在快速提升，這使得提供寫入電流的CMOS－目前微縮尺寸的瓶頸－得以有效微縮。做MRAM的人總想瓜分DRAM市場，目前在嵌入式的應用看來時機到了。至於獨立記憶體呢？只能說再假以時日吧！

《延禧攻略》（三）

看歷史戲對我是只能偶一為之的事。不是嫌虛耗光隂，而是心情上難以安穏。既曰歷史，於史實就要有所依憑；但又要説戲，不能不自行衍枝蔓葉。史實與情節中間的剪裁充填，就是戲劇成敗的幽微處了。而我心情稍偏史實面，每看戲不免嘀咕那裏又出了格，看與不看間，妾身千萬難。

很多年以前認真看完了大陸劇集《紅樓夢》，這是大致依程本前八十回編的劇，每集大約兩回多一奌。這當然不是歷史戲，但既有書的文本，演小説戲就與演歷史戲相若，戲的景像要與心擬的相對照，受考驗的。當時覺得景緻細膩，連紅迷常愛提的王夫人多寶格上的汝器象徵王夫人身份衿貴戲中也真停鏡於汝器上，覺得戲是演入紅迷心了。又譬如演到秦可卿淫喪天香樓那一段，劇情是按紅樓較早的版本，沒有隱諱遮掩則箇，快要讓人拍桌叫好了。編劇名字一長串，從雷雨以下一群戲劇、紅學的大師，是集體創作。然而覺得劇情與其依託憑藉的即與離就當如此。後來巧遇編劇之一吳祖光，他説就是這般意思。那時既成戲迷，後來自然不能免俗，北京白雲觀旁、上海淀山湖邊的仿大觀園都去朝聖過，但是與戲中拍的油烹鼎沸、花團錦簇景象自是不能相比，頗有三春盡後諸芳去的式微落寞。後來有幾部歷史戲我也覺得不錯，像《大明王朝》、《雍正王朝》等。明清史我比較熟，眼睛中揉不得一粒砂子的。那樣的演繹，我還能接受的。

最近也湊熱鬧，看《延禧攻略》。看到宮女入宮考剌繡，心頭不免嘀咕起來。宮中正經的行頭，那是江寧織造、蘇州織造的活。像皇帝龍袍上的圖案，那都是織機師父的匠心，一體成型，一天織不到一寸的。有興趣，到南京紡織博物館瞧瞧。

但是看到了乾隆到皇太后處請安那一段，這是第一稱心處，這也許是第一次我在電影、戲劇中聽到把稱謂弄對的。太后叫乾隆「皇帝」，這是正確的。皇上是敬稱，斷無母稱子以敬稱之理；皇帝是官稱，這才合理。以前的編劇導演不讀書，叫人氣悶。

為什麼文章以此名？因為追劇甚慢，只得三集。只看三集居然敢妄議，大膽至極。不過小快一處，大概會繼續攻略下去。