盡管 2019 年全球半導體銷售額為 4,120 億美元，較 2018 的歷史峰值略有下降，但整個行業(yè)仍然表現(xiàn)強勁，其中美國公司占全球市場份額近 50%。

到 2022 年，與人工智能 (AI) 相關的半導體市場預計將從目前的 60 億美元收入增長到超過 300 億美元，預計年復合增長率 (CAGR) 將近 50%。

半導體：現(xiàn)代電子產(chǎn)品的大腦

當我們點擊、滑觸、輸入或與電子設備交談時，我們希望我們的指令能夠得到正確的即時響應。但是在這個過程中是什么在搜索、量化、優(yōu)化和交付我們期望的結果？在大多數(shù)情況下，是半導體。

“半導體”是在教育、研究、通信、醫(yī)療保健、交通運輸、能源和其他行業(yè)中使用的成百上千萬電子設備的關鍵組件。當今的個人計算機、智能手機、汽車、數(shù)據(jù)中心服務器和游戲機都依靠半導體來實現(xiàn)核心運算和高級功能。例如，當我們使用筆記本預訂假期，查找餐廳推薦，播放電影或訪問電子郵件時，筆記本中基于半導體的 CPU 和 GPU 將展開計算，即時將問題變成答案。

什么是半導體？

由半導體材料（例如硅）制成的集成電路 (IC) 是商業(yè)和消費行業(yè)廣泛使用的現(xiàn)代電子設備的重要組成部分。這些電路必須能夠通過電子方式開/關（就像晶體管），才能在計算機中執(zhí)行基礎邏輯計算。為了實現(xiàn)這種近乎瞬時的開關能力，電路需要采用半導體材料（一種電阻介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)）。

半導體器件的制造需要在稱為晶圓廠的專業(yè)設施中分多步進行。開發(fā)、設計、生產(chǎn)、發(fā)布和服務一個半導體產(chǎn)品系列需要多年的行業(yè)經(jīng)驗和研究。通常半導體公司必須同時應對多個處在生命周期不同階段的產(chǎn)品系列。產(chǎn)品發(fā)布后，有些客戶合同可能規(guī)定廠商持續(xù)提供該產(chǎn)品長達十年左右的時間。

從芯片設計到消費產(chǎn)品

半導體生產(chǎn)是一個高度復雜的過程，需要很長的時間才能實現(xiàn)我們期望從日常設備得到的功能。半導體的生產(chǎn)時間會因復雜程度不同而有所差異，不過平均來說，從最初的研究到最終成品需要 3 到 5 年的時間。

摩爾定律和當今的挑戰(zhàn)

1965 年，工程師 Gordon Moore 觀察到，集成電路中的元件數(shù)量每年都翻倍。他預測這種趨勢將至少再持續(xù)十年。1975 年（當時先進處理器的晶體管數(shù)量約為 4,000-5,000），他將預測的速度修改為每兩年翻倍。這在半導體工業(yè)中被廣泛稱為摩爾定律。到 2015 年，Moore 預測隨著晶體管的微型化在原子水平上成為根本性障礙，集成電路密度增加的速度將在未來十年左右達到飽和點。AMD 于 2019 年推出的第 2 代 EPYC（霄龍）服務器 CPU 的晶體管數(shù)量已達到近 400 億個。

如今，一部智能手機的計算能力遠超 NASA 在 1969 年阿波羅 11 號登月中使用的計算機。

制程工藝的發(fā)展

最新制程工藝：7nm 以及更小

采用 7nm 制程工藝的集成電路代表電子設備芯片的新發(fā)展，與上一代集成電路相比，每瓦性能更高。更高密度的設計將更多元件封裝在更小的空間中，可實現(xiàn)更大的功能（例如用于人工智能和機器學習應用），并且可以實現(xiàn)更高的能效。

AMD 是第一家將 7nm x86 CPU 和 GPU 推向市場的公司。如今，這些設備已在數(shù)據(jù)中心和消費級產(chǎn)品（例如臺式機和筆記本電腦）中應用。由于新制程工藝的研發(fā)時間非常長，AMD 工程師正致力于創(chuàng)新，希望在未來實現(xiàn) 5nm 和 3nm 制程的集成電路。

小芯片的興起

另一種提高處理器性能的重要方式是引入分區(qū)多芯片設計，半導體公司因此可以將許多較小的低核心數(shù)芯片連在一起，生產(chǎn)出具有更多核心的 CPU。例如，AMD 的第二代 EPYC（霄龍）服務器處理器將整體的 32 核服務器芯片分為八個 7nm “小芯片”，這些芯片集成在一個多芯片模塊中并使用高速信號通道相連。如果采用單一芯片設計，由于制造設備的限制（精度限制），我們是不可能制造出這種高性能的 EPYC（霄龍）處理器。小芯片設計還可以提高制造過程中的良品率。據(jù) AMD 估算，這種多芯片方式可將制造成本降低約 40%。

術語知識：

• 中央處理器 (CPU)：執(zhí)行算術、邏輯、控制和輸入/輸出 (I/O) 運算的計算機主控制電路
• 小芯片：完整系統(tǒng)級芯片 (SOC) 上通常包含的具有某種單一功能的集成電路 (IC)
• 晶片：一小塊半導體材料，可用來制造特定功能的集成電路
• Fabless 業(yè)務模式：半導體行業(yè)的領先運作模式，公司可以將更多的利潤用于研發(fā)和增長戰(zhàn)略
• 圖形處理器 (GPU)：可以同時執(zhí)行大量數(shù)據(jù)運算以在顯示器上創(chuàng)建圖像或進行機器學習分析這類非圖形計算的電路
• 集成電路 (IC)：在一小塊半導體材料（例如硅）上設計的一系列電子電路
• 納米 (nm)：度量單位（十億分之一米）；用于表示制程工藝的最小功能尺寸
• （例如“7nm 制程工藝”）
• 原始設備制造商 (OEM)：組裝或生產(chǎn)供銷售的最終用戶設備的公司
• 封裝：使用金屬、塑料、玻璃或陶瓷來密封一個或多個獨立集成電路
• 制程工藝：半導體的特定設計規(guī)則和制造工藝
• 系統(tǒng)級芯片 (SOC)：在同一芯片上包含各種計算機或其他電子系統(tǒng)元件的集成電路
• 晶體管：調(diào)節(jié)電流流動的元件，是集成電路的基本組成部分
• 晶圓：用于制造多個集成電路芯片的硅薄片

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