芯片破壁者(六.下):摩尔定律的新世纪变局与无限火力

来源:品途发布:07-28 11:14阅读:52原文链接
摘要:摩尔定律不是一个定律,它是一个机遇

摩尔定律的第一次续命,成功拉开了半导体产业的激烈竞争。

当时的产业逻辑是,制程领先的企业很容易获得市场份额和规模优势,进而让落后者无利可图。

但这种高速发展不断撞上了新的天花板,摩尔定律也迎来了自己的第二次“被死亡”。

第二次续命:从2D到3D,

一杯名为技术的“美式咖啡”

20世纪90年代中期,在IBM研究所工作的刘易斯·特曼(Lewis Terman)宣称,摩尔定律的终结就在眼前。

原因很简单,进一步缩小晶体管尺寸再一次迎来技术瓶颈。

当时,半导体行业开始用激光作为光源在硅晶圆平面上制造晶体管和集成电路,当波长从 365 nm 降低到 248 nm,晶体管尺寸也逐渐逼近100nm。随着组件尺寸变小,当晶体管处于“关闭”状态时,电流很容易泄漏出来这会造成芯片的额外损耗。

2000年,全世界研究者都在研究如何让更短波长的微影蚀刻成功,延长干式机台的寿命。台积电在此时杀出,与ASML共同完成开发全球第一台润式微影机台,采用193波长曝光的“湿式”机台量产45nm制程,一时间引人瞩目,将半导体制程从45nm向前推进,让摩尔定律得以延续。

很快,大家都觉得这已经到硅芯片的极限了,摩尔定律再次失效,半导体产业的黄金年代也即将结束。

于是在 2002 年 11月,英特尔股票被美林证券将降级 , 从 “中立”降为 “卖出”, 股价再次应声而落。

美国对于这种情况也十分担忧,国防高级研究计划局(DARPA)还启动了一个名为“25nm开关(25-nm Switch)”的计划,试图提升芯片容纳晶体管数目的上限。

让英特尔及 “摩尔定律”继续引领行业的,是一位华人。

加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授的胡正明,由于美国在能源领域的学术拨款紧缩,转向参加企业项目,开始挑战半导体领域的难题。

(FinFET发明者胡正明)

既然晶体管尺寸无法再缩小,提升密度能不能同时保证技术和成本效益呢?按照这一思路,胡正明提出了鳍式场效晶体管(FinFET,Fin Field-effect transistor)方案。

以前,整个芯片基本上是平坦的,而胡正明则一改此前元器件和电路都在芯片表面一层的CMOS晶体管工艺理念,改为用垂直方法铺设电流通道。

在硅基底上方垂直布设细传导通道,传导通道像鲨鱼鳍一样排列,栅极可以三面环绕通道,而不是仅仅位于通道上方。

(FinFET工艺结构特点)

这种方式不仅能很好地接通和断开电路两侧的电流,使栅极能够更好地控制电子流动,从而大大降低了芯片漏电率高的问题,还利用垂直空间,大幅地缩短了晶体管之间的闸长。

晶体管尺寸发展到25nm以下后,FinFET方案发挥了巨大的作用。

不过,FinFET的工艺制造过程较为复杂,英特尔2002年起投入3D晶体管的研发,2011才开始利用FinFET方案正式批量生产晶体管,22nm的酷睿处理器三代就使用的FinFET工艺。

随后,各大半导体厂商也开始转进到FinFET工艺之中,台积电16nm、10nm,三星14nm、10nm以及格罗方德的14nm等等,都是在FinFET工艺支撑下实现的。

3D晶体管时代的开启,又一次将摩尔定律推后了数年。

第三次续命:

全球联动EUV,只为撬出突破口

“摩尔定律”的舒坦日子还没过多久,新的催命符又来了。

国际半导体技术发展路线图更新后大家发现,增长在2013年年底又放缓了。

进入三维结构之后,芯片工艺无法严格按照既定的路线升级制程工艺。各个半导体厂商的产品创新屡屡被用户吐槽“挤牙膏”,AMD停留在 28nm多年,英特尔在14nm节点区分出“14nm、14nm+、14nm++”三种制式更被引为笑谈。

看起来,摩尔定律似乎在14nm节点上又一次无路可走了,接下来怎么办?

一个来自于哈勃太空望远镜,为美苏“星球大战”计划而开发的技术——EUV,开始在产业界登场。

(EUV原理)

此前,英特尔用超微深紫外线(DUV,Deep Ultra Violet)技术制造出了为数不多的30nm 晶体管样品。随后,研究人员又将下一步研究放在了大规模采用极紫外线刻蚀技术(EUV)来进行生产上。

2012 年,英特尔、三星和台积电(TSMC)为 ASML 的下一代光蚀刻技术募集了 13.8 亿欧元的研发经费,其中有4000 名专注 EUV 项目的员工。

有意思的是,尽管英特尔很早就在布局EUV技术,但最早推出EUV制造的7nm芯片样品的,却是IBM。

当时,《纽约时报》以《IBM Announces Computer Chips More Powerful than Any in Existence》(IBM发布了比现有任何一种产品都强大的计算芯片)为题报道了此事,有些媒体更直言“IBM打了英特尔的脸”。

不过,EUV光刻技术采用13.5nm长的极紫外光作为光源,对光照强度、能耗效率和精度等都有极高要求。因此,尽管其研发始于20世纪80年代,但达到晶圆厂量产光刻所需要的技术指标和产能要求,却摸索了很长一段时间,以至于在此期间,摩尔定律不断被挑衅。

2017年的GTC技术大会上,GPU芯片厂商NVIDIA英伟达甚至提出要靠GPU开启AI时代的计算新纪元。其CEO黄仁勋声称,摩尔定律已经终结,依靠图形处理器推动半导体行业发展才是正道,而寻找更强大的CPU则应该让出主导地位。

以前,摩尔定律强调性能可以“一力降十会”,而英伟达认为,赋予晶体管智慧比力量更加重要。

对此,摩尔接受《纽约时报》专访时表示,如果良好的工程技术得到应用,那么摩尔定律仍可以坚持 5 到 10 年时间。

摩尔定律的变缓,给了 EUV 足够的时间迎头赶上这根救命稻草,终于在近些年成功落地。

2016年后,EUV光刻机开始投入晶圆厂,用于研发和小批量试产。随后,三星、台积电、英特尔等都争先恐后地将EUV投入芯片量产,中芯国际斥资1.2亿美元买入EUV光刻机的新闻也见诸报头。

用ASML(阿斯麦)研发副总裁Anthony Yen的话来说,EUV光刻是目前唯一能够处理7nm和更先进工艺的设备,并被广泛看做是突破摩尔定律瓶颈的最关键武器。

但成本,依然是困扰摩尔定律的难题。目前建设一个7nm工厂需要投资150亿美元,5nm工厂将需要300亿美元,而3nm理论上是600亿美元。

最后如何在终端市场上将成本顺利摊销,加上复杂国际政治局势的干扰,对三星、台积电等半导体厂商来说都是一件风险极大的事。

不难看出,在EUV为核心的战场上,芯片厂商与代工厂的竞争已经告一段落,更上游的半导体材料厂商、光刻机设备厂商,甚至学术界、产业界的工艺创新,开始加入其中,成为拯救摩尔定律不可或缺的参与力量。

其他屡建奇功的续命“药丸”

当然,在摩尔定律的续命史上,除了上述三个重要的技术节点、提高主频性能之外,也有不少方法屡建奇功。

比如新的封装技术。像是Chiplet小芯片系统封装技术,就可以促进芯片集成、降低研发成本、提高成品率,被认为是扩展摩尔定律有效性的另一种武器。

据说,台积电最新的3D SoIC封装技术将于2021年进入批量生产,促进高性能芯片的成本效益。

再比如寻找硅材料的替代品。利用新型材料做出分子大小的电路,也能使芯片性能变得更强大。在半导体发展历程中,元素周期表上的各种可能都被广泛尝试过。

华为任正非就曾公开表示,石墨烯有潜力颠覆硅时代。英特尔也宣布,在达到7纳米工艺之后,将不再使用硅材料。光刻胶等半导体材料的创新,也在推动摩尔定律的持续演进。

(英特尔对半导体工艺的进展预期)

也有人提出了“More than Moore”(超越摩尔定律)路线,通过改变基础的晶体管结构、各类型电路兼容工艺、先进封装等多种技术,共同发力来延续半导体行业的发展,而不再局限于缩小晶体管特征尺寸所带来的推动力。

总而言之,摩尔定律何时触顶或未可知,但半导体行业的进步永不终结,而围绕产业规律展开的商业竞争与硝烟也会继续延绵不休。

(超越摩尔定律:多样化)

回望摩尔定律的一次次惊险续命,不难发现,尽管其很多假设都会随着时代变化而变得不再适用,但半导体产业的特殊之处却决定了它顽强的生命力。

一方面,摩尔定律督促着技术工程师们不断挑战极限,聚焦于难题上,以尽可能地挖掘硅部件的潜力,作为“硅谷的节拍器”,摩尔定律在让行业走上巅峰的时候,也成为了产业的基本法。

而每当行业发生本质变化的时候,摩尔定律也会随之得到修正和改变,使其始终保持着一定的准确度。

此外,即使全行业都在摩尔定律之下展开激烈竞争,但这并不意味着标新立异没有意义,用不同的生产、工艺、材料等等方式寻求更快的发展,自控式企业也更容易抓住机会,打破固有的市场格局脱颖而出。

当然,在摩尔定律的感召下,科学家、工程师、投资方,甚至曾经的竞争者,也有可能形成共同体,在同一理想的支撑下大胆投入高风险的研发活动。

从日本半导体厂商的逆袭、英特尔的多年辉煌、英伟达的豪横发言等身上,会发现正是摩尔定律的文化隐喻,让产业的发展速率变得不可预测,也格外精彩。

这也是为什么,我们会追寻摩尔定律“起死回生”的历史瞬间。因为它不仅对半导体行业的变化趋势十分重要,更是技术轨道和预言的重要范例。

半个多世纪以来,摩尔定律本身已经改变,但其文化内核却始终不变,只是以更广阔、更强大的方式与我们再次触碰。


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