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520,那些年我们追过的半导体热门技术!

半导体行业观察  · 公众号  · 半导体  · 2017-05-20 12:04

正文

又一年的“520”到来,在这个被赋予了特殊意义的日子里,不同的人都在以不同的方式纪念这一天。作为中国的半导体人,我们或许没有非常浪漫的方式来度过这一天,但是我们依旧能够以另外一种别具一格的方式来度过一个半导体人的“520”。


下面就半导体行业观察小编带领大家回味那些年作为一个半导体人追过的热门技术,来一个不一样的“520”吧。


材料篇


量子点LED

  

量子点(QuantumDot,QD),一种全新概念的纳米级半导体发光粒子,1981年被发现。其组成元素不仅局限于Ⅱ-Ⅵ族(BaS、CdTe等)、Ⅲ-Ⅴ族(GaAs、InGaAs)、Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族(AgInS2等)的几种元素,未来还将有更多体系组成将被开发出来。

  

量子点是量子点LED(QLED)发光的基本材料。发光形式有两种:一是采用在GaN基LED中作为光转换层,有效吸收蓝光发射出波长在可见光范围内精确可调的各色光;二是采用其电致发光形式,将其涂敷于薄膜电极之间而发光,实现QLED发光。

  

作为照明用的量子点LED(QLED)优点有三:一,能发射出全光谱,即涵盖整个可见光和红外光区;二,它们能局限量子发光性质,并释放出较小频宽的色光,发射出的波长半宽度在20nm以下,因而呈现出更加饱和的光色;三,量子效率可达90%,以后还将会有更高的提升空间。

  

随着量子点制备技术的提高,尤其是量子点技术的光谱随尺寸可调、斯托克斯位移大、发光效率高、发光稳定性好等一系列独特的光学性能,使其更成为近年来研究的焦点,并取得了重大进展。



2014年9月,TCL公司率先推出中国第1台型号为H9700的55 in量子点电视,到2014年底,彩电业兴起一股量子点电视的热潮。2015年1月,在美国CES国际消费电子展会上,长虹也展出号称全球第1台曲面量子点电视。2015年4月,TCL多媒体又发布了量子点电视新品TV+量子点曲面电视,并一举夺得“中国家电艾普兰创新奖”。

  

量子点已经对LED技术产生了广泛的商业影响,当前,改善其制造步骤并提高利润是研究领域的重点。据报道,美国俄勒冈州立大学的研究人员已展示了一种新的量子点制造技术,不仅能保证所造量子点的大小和形状始终如一,还能进行更精确的颜色控制,可能意味着LED照明新时代的来临。


处于新兴的研究应用领域,QLED 也还存在一些问题有待进一步研究。第一,目前的非镉系量子点产品的光效与镉系量子点产品尚有一定的差距;第二,其发光机理还不是很清楚,这就制约了新材料的开发进程,因此需要进一步深入研究;第三,从量子点到QLED 器件的应用转换过程中发光猝灭现象比较严重,与GaN基的LED相比尚有一定的距离;第四,对量子点电致发光性能的研究还比较薄弱,加速这项研究将对未来新型QLED 面板灯的应用有非常重要的意义。


石墨烯

  

石墨烯是一种二维晶体,人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。



自从石墨烯在2003年被发现以来,研究者发现它具有优异的强度、导热性和导电性。最后一种性质使得这种材料非常适合用来制作电路中的微小接触点,但最理想是用石墨烯自己制成电子元件——特别是晶体管。


它不仅是世界上最硬的材料,而且柔韧性也最强,具有很好的弹性,可以被无限拉伸,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%,可抵抗很大的压力,而且具有非同寻常的导热性和导电性,被称之为“奇迹材料”。

  

硅基材料集成电路主频越高,热量也随之提高,并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G,日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G,笔记本电脑为了控制CPU功耗,主频普遍控制在2G到3G之间。


但如果使用石墨烯材料,那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料,石墨烯在室温下拥有10倍的高载流子迁移率,同时具有非常好的导热性能,芯片的主频理论上可以达到300G,并且有比硅基芯片更低的功耗。


采用石墨烯材料,不但芯片处理能力、数据交换速率能得到大幅提升,石墨烯良好的导热、导电和耐温特性也使得在散热、功耗方面的要求降低,进而实现处理能力达到上万载频的集中式基带资源池。


目前,不少研究机构和企业已经开始将石墨烯技术应用到半导体领域了。诸如,新加坡南洋理工大学开发的敏感度是普通传感器1000倍的石墨烯光传感器;美国哥伦比亚大学研发出的石墨烯-硅光电混合芯片;IBM研究人员开发出的石墨烯场效应晶体管等等,都为石墨烯在半导体领域的应用指明了方向。


SiC


SiC是在热、化学、机械方面都非常稳定的化合物半导体,对于功率元器件来说的重要参数都非常优异。作为元件,具有优于Si半导体的低阻值,可以高速工作,高温工作,能够大幅度削减从电力传输到实际设备的各种功率转换过程中的能量损耗。



表中黄色高亮部分是Si与SiC的比较。蓝色部分是用于功率元器件时的重要参数。如数值所示,SiC的这些参数颇具优势。另外,与其他新材料不同,它的一大特征是元器件制造所需的p型、n型控制范围很广,这点与Si相同。基于这些优势,SiC作为超越Si限制的功率元器件用材料备受期待。


SiC比Si的绝缘击穿场强高约10倍,可耐600V~数千V的高压。此时,与Si元器件相比,可提高杂质浓度,且可使膜厚的漂移层变薄。高耐压功率元器件的电阻成分大多是漂移层的电阻,阻值与漂移层的厚度成比例增加。因为SiC的漂移层可以变薄,所以可制作单位面积的导通电阻非常低的高耐压元器件。理论上,只要耐压相同,与Si相比,SiC的单位面积漂移层电阻可低至1/300。


SiC功率元器件具有优于Si功率元器件的更高耐压、更低导通电阻、可更高速工作,且可在更高温条件下工作。接下来将针对SiC的开发背景和具体优点进行介绍。


通过将SiC应用到功率元器件上,实现以往Si功率元器件无法实现的低损耗功率转换。不难发现这是SiC使用到功率元器件上的一大理由。其背景是为了促进解决全球节能课题。


以低功率DC/DC转换器为例,随着移动技术的发展,超过90 %的转换效率是很正常的,然而高电压、大电流的AC/DC转换器的效率还存在改善空间。众所周知,以EU为主的相关节能指令强烈要求电气/电子设备实现包括消减待机功耗在内的节能目标。


GaN


镓是地球上存在的一种贵金属材料,大约排名第十左右,中国储量全球第一。作为三代半导体材料当家花旦的氮化镓,近二十年来,由于LED照明产业的发展推动,已成为三代半导体材料中的核心材料,在光电子方向LED从无到有,快速发展,直至现在发展到千亿美元的规模,是一个新材料开发推动社会变革的典范。


氮化镓GaN和碳化硅同属于第三代半导体材料。为了区别于氮化镓已经形成的LED产业,在产业中有人用第三代半导体指代除LED之外的第三代半导体材料应用。除了,氮化镓和碳化硅,第三代半导体材料还包含ZnO,GaO氧化镓等。


GaN具备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度,和更高的工作温度。GaN提供高电子迁移率,这意味着开关过程的反向恢复时间可忽略不计,因而表现出低损耗并提供高开关频率,而低损耗加上宽带宽器件的高结温特性,可降低散热量,高开关频率可减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电感等的使用,最终减小系统尺寸和重量,提升功率密度,有助于设计人员实现紧凑的高能效电源方案。同为宽带宽器件,GaN比SiC的成本更低,更易于商业化和具备广泛采用的潜力。  


目前市场上主要GaN产品是应用于高功率密度DC/DC电源的40-200伏增强性高电子迁移率异质节晶体管(HEMT)和600伏HEMT混合串联开关,国外厂商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中国GaN相关企业有IDM公司中航微电子、苏州能讯,材料厂商中稼半导体、三安光电、杭州士兰微等公司。



纳米碳复合材料


随着世界范围内汽车数量的快速增加,汽车行业的碳排放对环境的影响已经引起人们的担忧,而提高交通系统的运营效率有望减少汽车对环境的影响。利用纳米碳纤维技术生产的新型复合材料正在汽车制造领域显示出潜力,有望将汽车重量降低10%甚至更多。轻量化汽车需要的燃料更少,输送人员和商品的效率更高,并能减少温室气体排放。



但是,效率仅是一方面的问题。另一个同样重要的问题是如何改善乘客安全。为了增强新型复合材料的强度与韧性,业界正在碳纤维和周围的聚合物基之间构建纳米界面,比如会使用碳纳米管,以改善锚固性能。在发生意外事故时,这些材料能够在不发生撕裂的情形下吸收并分散冲击力,从而更好地保护车内驾乘人员。


第三个挑战是碳纤维复合材料的可循环利用性。这个问题曾阻碍了该项技术的大规模应用,但目前已快要找到解决方案。相应的技术方案包括将可分解的“释放点”置入聚合物和纤维之间的界面材料,从而以可控的方式拆解各连接材料,复合材料各成分也可以单独回收并实现循环再利用。上述三方面如果全部实现,则有望大规模生产轻量化、超级安全和复合材料可再利用的汽车,从而对行业和环境产生重大的影响。


技术篇


LiFi

  

LiFi(Light Fidelity)技术是一种利用可见光波谱(如灯泡发出的光)进行数据传输的全新无线传输技术,采用白光LED作为光源,利用LED灯光承载的通信信号直接调制LED的发光强度来传输信息,无需光纤等有线信道的传输介质,在空气中直接传输光信号。LiFi技术是照明与通信的深度耦合。

  

2014年诺贝尔物理学奖得主中村修二预言,LED产业的下个杀手级应用在可见光通讯(LiFi)。中村修二指出,现有通讯方式主要以光纤有线通讯搭配微波无线通讯(如WiFi)为主,但WiFi的易遭拦截、微波有害人体成为被诟病的两大缺点。


  

而以LED光线做为传输讯号的载具,就没有这些问题,只要讯号一遭拦截,光就被遮断,肉眼立刻能够察觉,安全性更高。另外,LED光线没有微波,不伤害人体,也不会干扰仪器,目前在医院、飞机机舱等条件限制较高的场所,均已使用。

  

相对于WiFi,LiFiLED灯的数据传输速率在提升,且可见光不能穿越墙壁,家庭上网将变得更加安全。此外,在精确定位领域,LiFi也展示出了优势。支持者认为,LiFi技术具有替代WiFi的基础。不过也有人认为,LiFi的替代效应虽然存在,不过将可见光作为通信载体还有一定局限性,未来,LiFi可能会与WiFi互补共存,应用于智慧城市。互补与共存,都说明LIFI具有不可忽视的作用。

  

虽然LED光通讯的应用,不过,业界人士表示,未来若普及,只要有光线,就有讯号。例如打开桌上的台灯,可下载影音。站在路灯下可以上网查地图;在超市的各个架位,也可透过光线来发送不同产品讯息给消费者。甚至在水面下的海底探勘,只要灯光照得到就能传输讯号。


基于LiFi的特点,可将LiFi无线局域网需求分为两类:一是作为无线接入的替代,适用于目前不适合无线接入的场景,例如对电磁辐射比较敏感的场景,对安全和保密通信要求比较高的场景,无线电波不可达而可见光可达的场景;二是作为无线接入的补充,适用于存在普通的无线接入的局域网,在无线频谱紧张的情况下,对无线局域网进行负载分流。这些场景包括家庭无线接入、点对点通信。

  

目前,LiFi技术还处在发展阶段,大部分还依旧停留在实验室阶段,对于LiFi技术研发、产业化等问题需解决,也未被大规模开发与应用,但未来也业界所看好,认为其必然成为LED应用的重要方向。现日本、美国、英国、德国、法国和中国都在全力开发可见光通信技术,预计LiFi技术提供的解决方案会在全球创造一个全新的信息市场。


CSP


CSP(ChipScalePackage),是一种新的芯片尺寸级封装技术,封装尺寸和芯片核心尺寸基本相同,内核面积与封装面积比例约为1:1.1,凡是符合这一标准的封装都可以称之为“CSP”。

  

因其单元面积的光通量最大化(高光密度)以及芯片与封装BOM成本最大比(低封装成本)使CSP有望在lm/$而上打开颠覆性的突破口,被认为是“终极”封装形式。

  

CSP在降低成本上具有潜在优势,除此之外,在其他环节也具有明显优势,如在灯具设计上,由于CSP封装尺寸大大减小,可使灯具设计更加灵活,结构也会更加紧凑简洁。


在性能上,由于CSP的小发光面、高光密特性,易于光学指向性控制;利用倒装芯片的电极设计,使其电流分配更家均衡,适合更大电流驱动;Droop效应的减缓,以及减少了光吸收,使CSP具有进一步提升光效的空间。在工艺上,蓝宝石使荧光粉与芯片MQW区的距离增加,荧光粉温度更低,白光转换效率也更高。

  

因此,CSP被行业寄予期望,甚至在业内流传“CSP技术早晚要革了封装厂的命,只是时间还未到”的说法。


  

目前CSP LED 的主流结构可分为有基板和无基板,也可分为五面发光与单面发光。所说的基板自然可以视为一种支架。很显然,为了满足CSP对封装尺寸的要求,传统的支架,如2835,的确不能使用,但并不意味着CSPLED无支架,其实,CSPLED使用的基板成本远远高于SMD。受尺寸所限,CSPLED通常不能使用需要焊线的芯片,如正装芯片或垂直芯片,只能使用倒装芯片或薄膜倒装芯片。


硅衬底技术

  

硅衬底技术是LED芯片衬底主要有三条技术路线之一。即碳化硅衬底、蓝宝石衬底、硅衬底。其中,碳化硅衬底技术走的是“贵族路线”,成本高昂,其衬底及LED制备技术被美国公司垄断。蓝宝石衬底技术则主要掌握在日本公司手中,成本较低,是目前市场上的主流路线;但蓝宝石晶圆散热较差,晶体垂直生长困难很难做到大尺寸、无法制作垂直结构的器件,衬底也较难剥离。而第三条路线就是中国自主发展起来的硅衬底技术,它弥补了前两大技术路线之不足。


  

作为第三条LED芯片制造技术路线的硅衬底技术与其他两种相比具有四大优势:

  

一是硅材料比蓝宝石和碳化硅价格便宜,且生产效率更高,因此成本低廉,能使LED芯片成本比蓝宝石衬底芯片大幅降低;二是器件具有优良的性能,芯片的抗静电性能好、寿命长、可承受的电流密度高;三是芯片封装工艺简单,芯片为上下电极,单引线垂直结构,在器件封装时,只需单电极引线,简化封装工艺的同时,更节约封装成本;四是具有自主知识产权,产品可销往国际市场,不受国际专利的限制。

  

有产业经济学家表示,在成本持续下降的背景下,硅衬底技术如若能获得资本大力追捧,LED产业格局有望被重塑。

  

国家战略层面讲,硅基氮化镓技术是我国拥有自主知识产权的技术路线,可以构建中国完全自主的LED产业;从产业层面讲,基于硅材料的价格低廉和易于获取、硅基氮化镓技术的优势,利用成熟的集成电路产能,可以推动从设备到芯片、封装等全产业链成本大为下降。“硅基氮化镓技术接下来应该会得到国家相关政策的进一步扶持和支持,这对LED整个产业链都将会有巨大的影响,我们非常期待这些政策的落地。”业内人士表示。

  

另据报道,“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”获得“2015年国家技术发明一等奖”,因而多家LED公司已率先开始布局。

  

“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”由江西省申报,项目主要参与人员包括南昌大学的江风益教授、晶能光电(江西)有限公司的孙钱等人。


柔性显示屏


你可能听说过柔性显示屏,见过它的照片,但是你不太可能在不久的将来用上它。移动设备正在变得更加轻薄,因此设备本身也变得更脆弱。我们需要考虑的是:柔性显示器或柔性设备是否真的对我们有好处。


柔性屏幕无疑是人们最期待、也是最有可能率先消费化的下一代技术,包括三星、索尼、LG等厂商都在积极研发,最快今年晚些时候我们就能看到所谓的“纯柔性屏手机”,2019年则有望普及。



移动设备十分脆弱,虽然柔性屏有“不会破碎”这样的好处,但总的说来却是弊大于利。只需要考虑一下设备的其他部分,你就会理解这个道理。手机摔在地上时,屏幕吸收了冲击力,所以才会破碎。如果你的设备有一块柔性屏,那靠什么来吸收冲击力呢?塑料会破,金属会弯曲。从冲击力方面来考虑,柔性屏可能导致两败俱伤。屏幕摔碎的好处,是可以防止手机上的其他硬件受损。


柔性屏是一个出色的概念,但还不够成熟。从理论上说,它的好处是不会破碎,而且功耗也比我们现在使用的显示屏低25%,1280×720的分辨率,267ppi的像素密度,这些参数很是漂亮,但未必就比其他某些显示屏更好。有传言说三星Galaxy S4会采用柔性显示屏,所以我们到时可以看看它在现实使用中会有怎样的表现。


目前,三星、联想等厂商均申请了柔性屏幕设备专利,或是在CES等消费电子展上展示了原型机,它们看上去都美妙极了,柔性屏幕及机身结构甚至可以变成手镯戴在手腕上,或是如书本一般折叠。


除了炫酷,柔性屏幕将改变目前手机“板砖式”的无聊设计,同时带来更方便的使用感受,比如折一折就变成手机、打开就是平板,随身数字设备的形态无疑会被进一步简化。


柔性电路板


近年来,由于全球市场大幅变化,原本使用PCB大宗的桌上型计算机、笔记型计算机销售状况趋缓;2014年市场热度渐增的穿戴式智能产品,对于PCB的要求更高,甚至需要大量柔性电路板(Flexible Printed Circuit;FPC)搭配产品整合需求。


不只是穿戴式智能产品对软式电路板需求高,就连平板计算机、智能型手机产品对软式电路板的需求也越来越高,因为在3C电子设备持续朝轻薄化、小型化、行动化方向设计,FPC即柔性电路板,一般PCB电路板即是将铜箔材料覆加于一层玻璃纤维基板,使电路板具基本厚度、硬度,用以在基板上銲接集成电路、电子元件, 传统PCB虽持续朝多高密度、多层化改进,但PCB仍有较占空间、使用弹性较低问题。而柔性电路板具备可挠特性,可有效构装内部电路载板空间,亦可使得电子产品更能符合轻、薄、短、小设计方向。



至于PCB电路载板需要因应薄型化与适应小空间构装环境要求,甚至还要兼顾高速化、高导热要求, 其中针对薄化与高密度构装需求,软式电路板较硬式PCB会有较佳采用优势,加上新型态的软式电路板亦针对高速化、高导热、3D立体布线、高弹性组装等加值 优势,更能呼应穿戴应用的可挠式构装产品要求,让软式电路板的相关市场需求持续增加。


柔性印制电路的生产设计和制造有别于刚性PCB,在过去十年中,用于支持精密柔性PCB生产并且覆盖所有生产阶段的新方案层出不穷。传统片对片材料处理工艺的改进和最近的自动化卷对卷(R2R)工艺不断推动着柔性电路生产满足越来越高的市场需求。


柔性印制电路对于许多应用来说是无价之宝——更不用说现代智能手机了,在这些应用中柔性印制电路可以提供高水平的图案密度和互连折叠功能。这种技术支持高效的纤薄产品设计,而这样的设计是传统刚性PCB所无法实现的。但生产这些超薄、柔性和精密互连面临诸多的挑战。在整个生产过程中特别需要注意确保这些柔性电路带来的技术优势不会被低良率和低制造效率所冲淡,而后者最终会推高最终设备的成本。


利用高效率的卷对卷处理工艺和先进的激光钻孔、自动光学成像和直接成像技术,再加上针对柔性电路优化的软件工具,柔性电路供应商正在取得全新的规模经济效应,并为设计师提供在竞争激烈的市场中实现产品差异化所需的高度可靠的、高度通用的柔性电路。


室内定位


GPS在室外定位领域已被广泛应用,不过它有一个很明显缺陷是较难用于室内定位,而且一般民用的精度也不够高(10m左右),相对于室内导航的要求(1m左右)还有一段距离。由此,人们大约80%活动时间的位置服务,就是一个空白点。与此同时,这其中也就蕴藏了巨大的商业机会。目前,谷歌、微软、苹果、博通等科技巨头均已开始研究室内定位技术。可以想见,未来随着室内定位芯片技术的商业化,必将带来一波创新高潮,其影响和应用前景绝不会亚于GPS。



目前应用于室内定位的技术方案很多,除了以上提及的7种室内定位技术,还有基于计算机视觉、图像、磁场以及信标等等定位方式,但是大部分目前还处于开发研究试验阶段,暂没有成熟精确的产品投入市场。


从目前来看,蓝牙、Wi-Fi、超宽带室内定位是最有可能普及于LBS的三种方式:Wi-Fi室内定位有着廉价简便的优势,但在能力表现上不够强;而蓝牙室内定位各项指标较为平均;超宽带室内定位有着优秀的性能但成本较高,而且因为其现阶段因为大小功耗等原因,无法很好地与手机等移动终端融合,暂不利于普及。


但不管是哪种方法,未来的室内定位技术必定会随着物联网的发展越来越精确,越来越普及。在保证安全和隐私的同时,室内定位技术也将会与卫星导航技术有机结合,将室外和室内的定位导航无缝精准的衔接。 


3D Xpoint


2015年下半年英特尔联合美光闪电发布了新非挥发性内存技术“3D-Xpoint”。据了解,英特尔3D-Xpoint SSD效能与耐用性令人惊艳──IOPS效能较传统主流SSD快超过7倍,延迟效能超过8倍,耐用性则足以挑战SLC-SSD水准。



3D Xpoint是一种立体化的存储技术,它看起来与同为3D设计的TLC NAND技术相似,但其实本质却不同,3D Xpoint并不单纯是NAND,而是一种新的存储介质,是一种新的非易失性存储技术。从架构设计上看,它与FlashTec NVRAM加速卡有些近似,用RAM作为缓存,提高访问速度,同时用NAND作为存储介质。因此,3D Xpoint在速度上有优势,同时又具有非易失性存储的优点。


3D Xpoint让存储变得立体化,那么在立体化的空间里排布存储单元就与在平面里排布有所不同。基于3D Xpoint技术的存储介质中,通过垂直导线连接着多达1280亿个密集排列存储单元,每个存储单元存储一位数据,立体化让结构变得更加紧凑,而借助这种紧凑的结构就可以获得高性能和高密度位。


不考虑成本的话,这个东西是目前储存器的良好替代品,寿命比机械硬盘还长,速度比闪存快1000倍,接近内存的速度,容量密度还很大。


对于要求高的地方,它可以在内存和硬盘之间当一个缓冲,类似于现在SSD盘这么一个角色,需要快速读取写入的,用3D XPoint,不需要的还是用硬盘。只是相对于现在的SSD盘,它的速度更快,寿命更长,容量更大。


总结


随着中国半导体产业的不断发展,我们越来越多的意识到中国在半导体材料和技术方面与世界先进企业依然有着很大的差距。但是这种差距也是众多中国半导体不断努力的动力。


以上就是半导体行业观察小编总结的那些年追过的半导体热点技术,作为中国半导体人,你曾经未来哪项技术奋斗过,又为哪项技术付出过青春,欢迎大家留言和补充!(文/刘燚)


今天是《半导体行业观察》为您分享的第1283期内容,欢迎关注。

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