比利時獨家報導 | 後摩爾定律時代，半導體技術將走向何方?

IMEC研發的運用實時ECG技術、重量只有10g的健康監測貼片原型

「繼續向下推進新的製程節點正變得越來越困難，我不知道它(摩爾定律)還能持續多久。

」 在與IMEC執行長Luc van den Hove的訪談中，戈登·摩爾如是說。

作為世界領先的獨立納米技術研究中心，5月24日~25日，在比利時布魯塞爾舉辦的2016ITF(IMEC全球科技論壇)上，IMEC再一次將對摩爾定律的討論定為一個重要主題。

不能否認的是，摩爾定律正在逐漸走向極限。

業界對於未來技術如何發展，早已有了「More Moore」(繼續推進摩爾定律)和「More than Moore」(超越摩爾定律)的討論。

隨著兩條路的同時推進，聽一聽IMEC上各位大咖的論述，也許能讓撥開未來迷霧變得更簡單一些。

摩爾定律終將停止?

「如果在未來十年中，scaling(尺寸縮小)走到了盡頭，我也不會覺得意外。

」戈登·摩爾表示。

摩爾定律在近50年來被奉為半導體業界的「金科玉律」。

它是基於現實推測而出的一種法則，指的是在成本不變的情況下，集成電路上可容納的電晶體數目按照一定時間呈指數級增長。

其中，幾乎所有成本的降低，都來自於對電晶體尺寸的縮小和對晶圓直徑的增加。

不過，近年來，隨著矽的工藝發展趨近於其物理瓶頸，越來越多的人指出摩爾定律的滯緩，甚至認為該定律即將終結。

摩爾本人也一直在修訂著自己的說法。

1965年第一次發布時，其預測是集成電路上的電晶體數量每一年翻一倍;到1975年，摩爾將其改為每2年翻一倍;到1997年，又改為每18個月翻一倍;到2002年，摩爾承認尺寸縮小開始放緩;2003年，他又指出，摩爾定律還可以再繼續10年。

不過現實的情況是，成本問題將使該定律提前遭遇天花板。

「在集成電路領域，scaling曾幫助我們不斷實現更小、更快、更便宜、能耗更低的目標。

但現在，scaling已不再像過去一樣，同時提供上述所有好處。

」Luc van den Hove指出。

「從28納米向20納米過渡的時候，我們第一次遇到了電晶體成本上升的情況。

而對於一個商業公司領導人來說，必須去做利潤的考量。

」英飛凌執行長Reinhard Ploss表示。

他指出，雖然從物理的角度來說，目前半導體製造技術還沒有走到極限，晶片的大小還可以進一步縮小，但從商業的角度來說已經遇到了極限。

從技術節點的演進來看，從90納米走到28納米，電晶體成本一直按照摩爾定律所說，不斷下降，直到20納米節點時出現第一次反轉。

由於EUV技術的延遲實現，原本期待於22納米節點就引入EUV技術的製造商們不得不採取備選方案，例如採取輔助的多重圖形曝光技術等，但這樣會增加掩膜工藝次數，導致晶片製造成本大幅度增加、工藝循環周期延長。

目前，16納米工藝成本已經很高，如果繼續採取浸潤式多重曝光微影製程技術，到10納米節點時，成本可能增加至1~1.5倍。

此外，隨著scaling的不斷推進，工藝製程技術的發展在穿孔、光刻、隧穿、散熱等方面上都碰到了越來越多的技術瓶頸。

要改進光刻技術，還要解決散熱問題，同時工藝推進所需要的精密生產設備投入也越來越高，這些都是阻礙半導體發展按照摩爾定律前進的挑戰。

「呈指數級增長一直是半導體產業的特徵，它還將繼續下去。

但是增長率和前往下一個技術節點的節奏可能放緩，逐漸向全球GDP增長率看齊(2015年全球GDP增長率約為2%)。

」ASM公司首席技術官兼研發主管Ivo J. Raaijmakers表示。

如何繼續推進摩爾定律?

「Scaling還會繼續，我不僅相信它將會繼續，而且我認為它不得不繼續。

」Luc van den Hove強調說。

他確信scaling還會持續幾十年，但摩爾定律將會有所改變，不再只涉及尺寸上的scaling。

Ivo J.Raaijmakers表示同意，他認為「由於需求所致，產業界必將會找到一個方法來繼續scaling，但是它將會有所不同，不再完全依照過去傳統的摩爾定律和Dennard scaling(單位面積電晶體數不斷增加而功耗保持不變)。

」

其實，業界並不需要特別擔心。

Mentor Graphics總裁兼執行長WALDEN C.RHINES表示，「即使摩爾定律命中注定會結束，但還有學習曲線(learning curve)的存在。

」

而此前，scaling也曾多次遇到過技術門檻，但隨著各種技術手段的投入保證了摩爾定律的持續作用，例如90納米時的應變矽、45納米時高k金屬柵等的新材料、22納米時的三柵極電晶體等。

Ivo J.Raaijmakers指出，想要繼續推進技術發展，我們需要在「材料、製程、結構」三個維度進行創新。

「IDM和Foundry廠商主要通過改變流水線(Pipeline)架構進行結構性創新，設備和材料供應商主要進行材料和工藝創新。

」

3D邏輯晶片

2D的scaling確實會越來越難，從現有的製程技術節點向下一個節點推進所需要的時間也將越來越長。

而向下一個技術節點發展，可以採取一種全新的架構設計。

在設備技術方面，FinFET技術將過渡到水平納米線(Lateral Nanowire)，和垂直納米線(Vertical Nanowire)。

以3D的方式構建，將原有的矽片平面蝕刻技術轉變成多層蝕刻技術，再將這些蝕刻出的薄層矽進行堆疊連接。

「我們需要更好的利用起來第三個空間維度。

例如在構建3D SRAM單元的時候，你可以疊加多個單元。

FPGA也是一樣，你也可以構建一個標準單元再進行堆疊。

」Luc van den Hove指出。

另一個可能的方法是異構晶片堆疊，這樣其中的每個晶片都可以改善其負荷的工作量。

結合矽穿孔技術和轉接板技術，你可以把處理器、存儲等晶片集成在一起。

基於磁自旋的電路相比CMOS，可以用更少的組件創建集成。

「將電晶體堆疊與異構集成相結合，可以繼續scaling，一直推進到3nm製程節點。

」Luc van den Hove表示。

而在光刻技術方面，IMEC認為，EUV是一個有成本效益的光刻解決方案。

採用波長13.5nm的EUV被看好可用於所有關鍵層的微光刻，但一直以來業界還尚未解決EUV的批量生產問題。

「我們也許很快就可以看到EUV真正投入使用，不過也許需要運用相應的平坦化技術。

」 IMEC製程技術高級副總裁An Steegen表示。

格羅方德(GLOBALFOUNDRIES)首席技術官Gary Patton指出，EUV光刻技術可以減少30天的工藝循環周期時間，大概每層掩膜上可以比現有技術節約1.5天的時間，同時還可以保證更小的電子參數變量，實現更嚴格的製程管控。

Gary Patton則認為，EUV在2018年和2019年時可能會有非常小範圍的使用，並將於2020年全面投入製造流程。

改變所用的金屬材料也是一個思路。

「比如從鋁材料到銅材料到鈷材料，保證了向下一個技術節點前進的可能性。

」巴斯夫股份公司執行董事會副主席兼首席技術官Martin Rudermüller指出。

在10納米以下的製程節點，鈷材料與銅材料相比具有更低的電阻率，添加了鈷材料的解決方案可以實現自下而上的用電化學沉積填補薄膜空隙。

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後摩爾定律時代怎麼辦?

「摩爾定律正在走向終點，需要從整個系統優化的角度來考慮，從而克服現有的技術挑戰，實現進一步的增值。

」英飛凌執行長Reinhard Ploss強調。

「當製程節點走到商業極限的時候，我們就需要一個突破性創新來改變這個局面。

」

他指出，如果僅僅只是強調製程技術的演進，不僅需要大量的創新元素，還會導致研發經費呈指數級迅猛增長。

「半導體產業已經從集成電路進化到了集成系統，未來系統集成還將繼續推進。

」

逐漸改善設備帶來的效果已經降到了最低，而系統級的優化仍然有很大的潛力。

例如在數據中心這一應用領域，過去我們曾通過設備優化，節省了2%的能耗;目前我們通過改善電源，節省了8%的能耗;未來則有可能通過對整個數據中心做優化，節能25%的能耗。

除了目前使用的矽CMOS以外，新的技術和材料也存在著可能性，例如寬禁帶半導體材料及器件，都有著極大發展潛力，需求的增加和技術的進步都將促進它的到來。

「引入GaN(氮化鎵)可以顯著減少功耗並實現功率密度的飛躍，而SiC(碳化矽)和GaN都可以幫助實現高性能等。

」Reinhard Ploss表示。

當然，晶片業也在進行創新思維，尋找一些全新的範式，例如量子計算和神經形態計算等。

在神經計算方面，IMEC正在從硬體領域模仿大腦內部的連接構造，根據每一個神經元都通過其突觸與其他10~15000個神經元相連的原理，做出可縮小的全球神經交流解決方案。

以新應用需求驅動應用領域變革也許是超越摩爾定律的一個戰略思路，例如自動駕駛、IoT、雲數據中心都將是未來IC將出現爆發級增長的應用領域。

這些應用領域需要不同的傳感器、低功耗處理器和高度集成的晶片。

「目前，電子組件已經占據汽車生產成本的約30%，到2020年將可能達到約35%，到2030年將可能達到約50%。

」奧迪汽車電子和半導體技術中心主管兼漸進式半導體計劃主管Berthold Hellenthal指出。

這將需要不斷增加的軟體代碼行和不斷增長的車內、車外、車輛間的數據流量。

IoT也將向著更加智能化的節點演進。

亞德諾半導體(Analog Devices)高級副總裁兼首席技術官Peter Real指出，這包括在節點將數據轉化為信息的智能傳感技術，未來還需要降低整體能耗、降低延遲、減少貸款和浪費，讓反應性的物聯網成為預測性和實時的物聯網。

「IoT的演進將是硬體和軟體的系統性綜合，而不是硬體對軟體。

工業物聯網應用目前面對著現實技術還不成熟的現實，晶片級傳感器(chip scale sensors)、能量採集、超低功耗技術、製程、封裝等都還存在著技術挑戰。

」Peter Real表示。

他認為，很多應用將需要在單一信號鏈中的不同節點上都擁有分析能力，但又有帶寬、延遲和能耗方面的限制;系統架構將變得至關重要，要慎重地決定在什麼位置放置存儲、處理器、算法和硬體加速器等;而根據工業、健康、汽車等應用領域的不同，系統的架構也會相當不同。

精確醫療也將是一個未來半導體技術可以發揮作用的重要領域。

「DNA測序已經趕超了摩爾定律的速度，」Luc van den Hove指出。

DNA測序是精確醫療的關鍵因素，但往往需要高達百萬元甚至千萬元級的成本費用。

IMEC正在嘗試推進這方面工作進展，它已經開發出一款集合了光子和電子的晶片，可以將DNA測序的成本降低一半。