計算機晶片已達物理極限，晶片工藝發展路在何方？

1 摩爾定律還能存活多久？

1960年，在賓夕法尼亞大學舉辦的國際固態電路會議上，名為道格拉斯•恩格爾巴特(DouglasEngelbart)的年青計算機工程師介紹了簡單但具有開創性意義的概念：縮小(scaling)。

恩格爾巴特從理論上闡明，隨著電路尺寸越來越小，元器件速度將越來越快，能耗、製造成本會越來越低，這一切都呈加速發展態勢。

恩格爾巴特後來發明了計算機滑鼠和其他個人計算技術。

當天坐在台下聽恩格爾巴特演講的聽眾中就有後來與其他人聯合創建了英特爾的戈登•摩爾(GordonMoore)。

1965年，摩爾量化了縮小原 理，提出對計算機時代產生了深遠影響的摩爾定律。

他預測，在至少10年內，晶片集成的電晶體數量將每年翻一番，從而導致計算機處理能力大幅度提高。

他的預測發表在1965年4月份的《電子學》雜誌上，後來被稱作摩爾定律。

這不是一條物理學定律，而是對一個新興產業的觀察結果，在此後的半個世紀中，摩爾定律被證明是有效的。

在1960年代早期，寬度約與棉纖維相當的一個電晶體，按現在的美元計算價格約為8美元(約合人民幣51元)。

目前，指甲蓋大小的晶片可以集成數十億個電晶體，電晶體的價格已經下降到1美分(約合人民幣6分錢)能買好多的水平。

計算機晶片的發展幫助矽谷給世界帶來了令人吃驚的進步，其中包括PC、智慧型手機和網際網路。

但是，最近數年，根據摩爾定律預測的晶片發展速度放慢了。

約10年前，晶片速度停止進一步提高，新一代晶片問世的時間延長，單個電晶體的成本不再下跌。

《紐約時報》表示，技術專家現在認為，新一代晶片的問世會更慢，兩代晶片之間的間隔將延長至2.5-3年。

他們擔心，到2020年代中期，屆時僅由數個分子構成的電晶體將無法可靠地工作。

除非有新的技術突破問世，摩爾定律時代將告終結。

2 電晶體的縮小(scaling)歷程

世界上第一個電晶體1947年在貝爾實驗室問世。

1964年出現了集成約30個電晶體的晶片，尺寸約為4毫米;英特爾的第三代酷睿i7四核晶片集成有14億個電晶體，尺寸為160平方毫米。

電晶體就是一個電子開關，與控制電燈的開關相似，柵極(gate)控制著電流能否由源極(source)流向漏極(drain)。

電子流過電晶體在邏輯上記為「1」，不流過電晶體記為「0」。

一個晶片上整合的數以百萬計的電晶體就能通過影響相互的狀態來處理信息。

在目前的晶片中，連接電晶體源極和漏極的是矽元素。

矽被稱作半導體，因為它有時是導體，有時是絕緣體。

電晶體柵極上的電壓控制著電流能否通過晶體 管。

為了跟上摩爾定律的節奏，工程師必須不斷縮小電晶體的尺寸。

英特爾目前採用22納米製造工藝，相當於十億分之二十二米，或者人類頭髮直徑的四千分之 一。

相比之下，英特爾1971年推出的首款晶片4004採用10微米(10000納米)工藝，相當於人類頭髮直徑的十分之一。

英特爾Ivy Bridge晶片表明了不斷縮小電晶體尺寸的難度。

為了由早期的32納米工藝升級到22納米工藝，英特爾專門開發出了三柵極晶片設計，不但進一步縮小了電晶體尺寸，還降低了能耗。

但是，開發三柵極電晶體並非易事。

英特爾研究人員在2002年就開發成功了三柵極電晶體——歷經9年才投入大規模生產。

這還不是唯一的挑戰，其他挑戰包括利用金屬製造柵極、使用銅而非鋁線連接電晶體等。

英特爾計劃2013年將製造工藝進一步升級到14納米，然後是10納米、7納米，2019年時升級到5納米。

3 物理極限

晶片是由金屬連線和基於半導體材料的電晶體組成的。

最先進電晶體和連線的寬度小於光的波長，最先進電子開關的尺寸小於生物病毒。

晶片採用光刻工藝製造。

自1950年代末被發明以來，光刻工藝一直在不斷發展。

目前，晶片光刻工藝已經發展到使用紫外雷射。

由於元器件和連線的尺寸已經縮小到只有幾個分子大小，工程師在晶片設計中採用了計算機模擬技術。

設計自動化軟體廠商MentorGraphics執行長瓦爾登•萊因(WaldenC.Rhines)表示，「這是在戲耍物理學。

」

最近，業界對一種被稱作極紫外線光刻的技術非常樂觀。

如果獲得成功，它將使晶片廠商採用更先進的工藝生產晶片，同時簡化晶片生產過程。

但這一技術尚未在商業生產中得到驗證。

今年早些時候，荷蘭光刻機廠商ASML表示，已經獲得美國一家客戶的巨額極紫外線光刻機訂單，大多數業內人士都認為這家客戶是英特爾，這意味著英特爾在製造工藝方面將比其他晶片廠商領先一步。

不同於三星、台積電等主要競爭對手的是，英特爾高管堅信公司在可預見的將來能繼續降低晶片製造成本，他們不認可電晶體價格已經趨於穩定的觀點。

儘管如此，英特爾也不能完全「藐視」物理學。

英特爾7月份表示，它將把採用10納米工藝技術的時間推遲到2017年。

這打破了英特爾一年換用新生產工藝、下一年採用新晶片架構的新產品發布周期。

英特爾執行長科再奇(BrianKrzanich)在一次分析師電話會議上說，「最近的兩次技術轉換已經表明，我們採用新工藝的周期接近2年半而非2年。

」

由於元器件和連線的尺寸已經縮小到只有幾個分子大小，工程師在晶片設計中採用了計算機模擬技術。

但隨著線寬的減小，載流子的熱運動對IC內部元件和連線的影響就越明顯。

（電的熱效應和光應用）

CPU的時鐘頻率在3GHz的頻率下，波形由開到關（即1個時鐘周期）的時間內，光只能前進10cm的距離；

LSI(Large Scale Integrated circuit，大規律集成電路)中的電路是採用一種印刷技術（光刻法）印上去的，在這樣細微的尺度中，光的波長甚至都成了大問題，因為如果圖像的尺寸比 光的波長還小，就無法清晰地轉印。

可見波的波長範圍約為400－800nm，因此最近45nm製程的LSI是無法用可見光來製造的。

在這種原子尺度的電路中（在1nm的長度上，只能排列幾個原子），保持絕緣也是相當困難的。

簡單來說，就是電流通過了原本不應該通過的地方，這被稱為漏電流。

漏電流不但會浪費電力，某些情況下還會降低LSI的性能。

漏電流還會引發其他的問題，比如發熱。

隨著SLI越來越精密，其密度也越來越高，熱密度也隨之提高。

像現在的CPU這樣高密度的LSI，其熱度已經 跟電熨斗或者燒烤盤差不多高了，因此必須用風扇等裝置持續進行降溫。

照這個趨勢發展下去，熱密度早晚要媲美火箭的噴氣口，如果沒有充分的散熱措施，連 SLI本身都會被熔化。

傳統晶片工藝的極限將是5納米。

超越這個極限後將遇到電流泄漏等難題。

在更高的速度、更低的能耗和更低的成本這三個因素中，晶片廠商只能選擇其中的兩個。

有人問霍金怎麼看集成電路技術所面臨的極限。

雖然不是他的研究領域，但他總結了兩點：光的有限速度和材料的原子特性

4 路在何方

目前，電晶體的源極、漏極和通道是用矽元素製成的，它們也可以由砷化銦、砷化鎵、氮化鎵和化學元素周期表上第三和第五族的其他元素製成。

來自化學元 素周期表中不同的族，意味著電晶體材料有不同的屬性，它們的一大特性是有更高的電子遷移率，這意味著電子遷移速度更快，電晶體速度也可以因此更高。

但福勒指出，這可能僅僅是一個權宜之計，「使用其他材料有一定的潛力，但很快會遭遇矽電晶體遇到的問題。

採用新材料可能會使晶片性能提高2、4倍，甚至8倍」。

改進晶片的另一個途徑是利用「納米線」取代矽材料製成的電晶體通道。

更大的挑戰是使用碳納米管的可能性，但採用碳納米管存在許多困難：連接碳納米管與電晶體其他部分，改進它們的半導體屬性，確保碳納米管的尺寸和構成方式恰當。

後矽時代最有希望的一種電晶體材料是石墨烯。

石墨烯可以捲成一個納米管，平面的石墨烯也能用作半導體材料。

石墨烯與碳納米管相比的一個優勢是，它的 製造可以集成在晶圓製造工藝中，無需此後專門組裝。

另一個優勢是石墨烯極高的電子遷移率，如果用石墨烯連接電晶體中的源極和漏極，電晶體的開關速度可以非 常高。

福勒說，「我認為石墨烯前景非常好。

」

但使用石墨烯存在大量挑戰。

首先是它缺乏足夠的帶隙(bandgap)。

石墨烯本身帶隙為0，意味著它只能導電，不能用作半導體。

Mears Technologies總裁羅伯特•米爾斯(Robert Mears)表示，「石墨烯有部分非常優秀的屬性，但目前沒有合適的帶隙。

石墨烯目前還不能取代矽或其他半導體材料，它是一種優良的連接介質、導體，但不 能做成很好的開關。

」

福勒這樣描述理想的電晶體：「處於閉合狀態時，電流通過能力強;處於斷開狀態時，幾乎不消耗任何電能。

目前的問題是，石墨烯電晶體很難斷開。

」

使一種材料具有合適「帶隙」有多種途徑，其中包括將兩塊分離的石墨烯組裝成「納米絲帶」(nanoribbons)，採用不同的電晶體柵極。

如果科 研人員能解決這些問題，石墨烯製成的電晶體可能尺寸不會更小，但速度會更快。

福勒說，「我們還處於探索利用石墨烯的早期階段，就像是1950年代探索利用 矽元素那樣。

」

另外一種更激進的技術被稱作自旋電子學，信息利用電子一種被稱作自旋的屬性在晶片內傳輸信息。

福勒說，「如果可以利用電子自旋屬性，而非電荷存儲『1』和『0』，就不會存在移動電荷存在的熱力學極限問題。

未來的晶片不會遇到與目前晶片相同的能耗限制。

」

依靠光而非電子攜帶信息的矽光子學技術也可以用於未來的晶片。

福勒說，「這可能是晶片間通信，甚至晶片上信息傳輸的一種優秀技術。

目前，晶片能耗中相當大一部分都用於晶片間同步，但一些有前景的研究項目在利用矽光子學技術解決晶片同步問題。

」

米爾斯說，矽光子學技術的傳輸距離存在限制。

問題是：光的波長大於晶片中連線的寬度，「儘管這曾經是我的主要研究項目之一，我並不看好採用矽光子學 技術的晶片。

矽光子學技術適合遠距離通信，但不適合製造邏輯門。

如果要製造或非門或與非門，需要採用電子學技術，傳輸數據時需要將電子信息再轉換為光子信 息」。

尋求矽的替代材料（ III-V族化合物（磷化銦和砷化銦鎵）、石墨烯、矽烯、碳納米管等），可以繼續提高晶片的集成度和性能。

此外也可以另闢蹊徑，在使用現有工藝的情況下來提高單位面積下電晶體的集成數量（比如2.5D、3D堆疊等方案，目前在NAND、DRAM等存儲產 品中已有不少應用，不過對於IC晶片來說，發熱問題不好解決），此外，研究人員還在研究其他計算技術，例如光子計算、量子計算、DNA計算、自旋波設備等顛覆摩爾定律的超級計算機，但哪種技術能笑到最後尚不得而知。

5 「More Moore」、」「More than Moore」、「Beyond CMOS」

• 「More Moore」：想辦法沿著摩爾定律的道路繼續往前推進。
  
  

• 「More than Moore」：發展在之前摩爾定律演進過程中所未開發的部分。
  
  

• 「Beyond CMOS」：發明在矽基CMOS遇到物理極限時所能倚重的新型器件。
  
  

1 「More Moore」

「More Moore」延續CMOS的整體思路，在器件結構、溝道材料、連接導線、高介質金屬柵、架構系統、製造工藝等等方面進行創新研發，沿著摩爾定律一路scaling（每兩年左右，電晶體的數目翻倍）。

「More Moore」的挑戰在於：

• 無法承受的能耗密度

• 原子尺度的尺寸——物理限制

• 製程、器件的不穩定性和偏差

• 比例縮小並沒有帶來實質的性能提升（每次乘0.7或，後面得到的值之間的差越來越小）

• 高昂的研發和製造成本

2 「More than Moore」

如下圖所示，一個系統（比如您的手機晶片組）除了處理器還有很多其他部分的功能模塊，這些橙色的部分還大有文章可做。

摩爾定律（主要是數字電路和存儲電路）切下了版圖的一角卻也留下了很大一塊的空白。

那些「空白」部分（比如模電以及後來興起的微機電等等）並不是 把MOS FET作為單純的開關來用，也因此和數字電路不停地scaling的玩法不同，當這邊看上去快要玩完的時候那邊說不定還想大幹一場呢。

其次，這些非數字的功能模塊還有不少停留在PCB板級系統層面，還有很大的空間和潛力用比如3D IC等的技術向封裝層面（System in a Package(SiP)） 或是單晶片層面(System on a chip（SoC)）發展。

3「Beyond CMOS」

Beyond CMOS的主要思路就是發明製造一種或幾種「新型的開關」來處理信息，以此來繼續CMOS未能完成之事。

因此理想的這類器件需要具有高功能密度、更高的性能提升、更低的能耗、可接受的製造成本、足夠穩定以及適合大規模製造等等的特性。