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面对自然法则极限 摩尔定律这根指挥棒还能挥舞多久

2021年04月08日07:56 | 来源:科技日报
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原标题:面对自然法则极限摩尔定律这根指挥棒还能挥舞多久

  3月末,蔚来汽车宣布因芯片短缺暂停生产5天,这一公告引起社会热议。不仅是汽车,如今我们的生活已经离不开芯片,随着芯片在日常生活中占据的位置日益重要,其升级也受到越来越广泛的关注。

  提到芯片的发展升级,就不得不提起大名鼎鼎的摩尔定律。1965年4月,《电子学》(Electronics)杂志上发表了一篇对电子行业进行预期的文章,提出微处理器运算能力每12到18个月提高一倍,或者说是芯片从设计到制造过程中,工艺进步使得集成度翻倍,成本减半。

  摩尔定律提出50年后,提出者戈登・摩尔在接受采访时吐露心声:这只是一个大胆推测。“但后来这个推论不断驱动和主宰半导体行业的发展,我也就心安理得了。”

  几十年来,一直有“摩尔定律不久就会失效”的声音,但时至今日,它仍颠扑不破。集成电路发展取得突破的新消息仍旧不断传来,继5纳米后,3纳米芯片已在量产途中。与其说戈登・摩尔做出了大胆的预测,不如说他给半导体行业做出了不断前进的“小目标”。

  是预测,更是小目标

  我们可以将集成电路想象成在硅片上的“微雕”,即在硅圆晶上雕刻亭台楼阁、立交路网甚至整个城市,只不过所用的“刻刀”是光。

  为什么当下集成电路领域的少数企业能够形成垄断?例如光刻机荷兰阿斯麦尔独领风骚,芯片制程台积电一骑绝尘。

  它们其实并不是一开始就领跑的。“日本的光刻机其实在这个行业里称霸了几十年,但当极紫外光刻到达某个程度,由于资金和人力成本投入太高,日本的产业做出了一个预判,花更大成本获得更高精度的芯片可能很难得到广泛的商业应用,因此对投入产出比的判断使他们放缓了对更高精度光刻机的研制。” 中国科学院微电子研究所研究员周玉梅告诉科技日报记者,而荷兰做光刻机的团队执着地认为技术能够一点点往前推进,在不断推进的过程中,一些大企业加入合作,如台积电即在前期进入、投入,共同研发。

  合作使得新的技术极限很快获得突破。

  正是由于半导体产业的不同位置的企业、团队的共同推进和成果共享,突破极限的芯片被成功应用,摩尔定律也因此可以继续向前推进。

  虽然在推动半导体产业遵循摩尔定律的过程中,很多企业的投入成为“炮灰”,但从人类挑战微观世界极限的角度来看,它们非常值得尊重。

  二十多年前,极紫外光刻等技术路线尚在探索中。据记载,1997年业内就预测2006年芯片特征尺寸将缩小到100纳米,而100纳米是一种挑战,因为制造小于100纳米线宽的集成电路时,光源波长将大于其特征尺寸,常规的光学光刻工艺失灵,为此必须寻找一种完全崭新的光刻工艺。世界各大半导体公司、大学和研究所那时都努力探索研究这种新工艺,如英特尔公司领导的联合体采用光源为氙气的特别紫外线光刻,其波长小于10纳米;IBM公司采用X射线光刻,其波长为5纳米;美国得克萨斯大学和美国半导体制造技术战略联盟联合采用紫外线光刻刻出80纳米图形,同时采用特殊的刻蚀石英掩膜,朗讯公司采用电子束光刻……这些方法复杂、昂贵,需要大批量生产考验。

  当然,最终经受住考验的那个结果我们这个年代的人已经知晓,但在当时为了实现突破极限、按照摩尔定律推进的“小目标”,整个产业都勇立在原始创新的潮头。

  不同环节共同推进技术发展

  在硅晶上“微雕”一个缩微城市,让每个电子都带着正确的指令飞奔,当然不会是光刻机“独挑大梁”。

  单就芯片的制造设备来说,从大类分包括光刻机、清洗设备、薄膜生长设备、高温固化设备、刻蚀设备等。而从整个生产链条看,材料、设计、软件、元器件等都是这个产业链上不可或缺的环节。例如在细线条的光刻机上已经鲜有声音的日本,在集成电路制作的专用材料上仍占据重要位置。而美国在芯片设计软件、设计技术方面是领先的。

  芯片不断突破极限的发展就是在这个链条上的不同环节上不断地打破瓶颈。例如,自2005年至今,随着晶体管密度越来越大,晶体管电路逐渐接近性能极限,当晶体管越做越小时,就会产生电子等微观粒子通过量子隧道效应穿越位势垒的行为,使晶体管出现漏电现象。

  工程师们正在努力地攻克这些瓶颈,他们创新性地突破了一些难题,但随着技术的不断发展,遇到的问题也会越来越复杂。

  如在元器件方面,2020年12月17日,复旦大学微电子学院发布消息,该院周鹏教授团队针对具有重大需求的3―5纳米节点晶体管技术,验证了双层沟道厚度分别为0.6/1.2纳米的围栅多桥沟道晶体管(GAA,Gate All Around),实现了高驱动电流和低泄漏电流的融合统一,为高性能低功耗电子器件的发展提供了新的技术途径。

  据悉,GAA晶体管有望取代现在集成电路上使用的FinFET(鳍式场效应晶体管),有望解决微缩提升性能难以为继的问题。韩国三星和台积电均已掌握了这一项技术,或将用在3纳米或2纳米芯片中。

  而在芯片基材方面,哈尔滨工业大学韩杰才院士团队,与香港城市大学、美国麻省理工学院等单位合作,在金刚石单晶领域取得重大科研突破。相关研究成果“微纳金刚石单晶的超大均匀拉伸弹性”2021年1月在线发表于《科学》杂志。除了金刚石芯片之外,人们还在探索石墨烯作为芯片的基材。

  再比如光刻机光源方面,清华大学及合作研究团队2月25日在《自然》上发表的论文展示了一种新型粒子加速器光源原理。《自然》

  维持摩尔定律的“动力”在哪里

  关于摩尔定律极限的问题,戈登・摩尔引用了史蒂芬・霍金在硅谷回答同样问题时的言论:“他提出了两个技术极限,即光的极限速度和物质的原子本质。我非常同意他的观点。我们目前已经很接近‘原子’极限(原子的直径在0.01纳米到0.1纳米之间),而芯片的运行速度也越来越快,但离光速还很远。这两个都是最基本的自然法则,我们很难达到和超越这个极限。这也是未来几十年里工程师们需要接受的挑战。”

  那么究竟是什么动力,让整个产业持续创新,共同推动技术逼近自然极限?

  市场无疑是产业发展的原创动力――

  3月1日国新办新闻发布会上,工业和信息化部党组成员、总工程师、新闻发言人田玉龙介绍,2020年我国集成电路销售收入达8848亿元,平均增长率达20%,为同期全球集成电路产业增速的3倍。

  集成电路产业不仅“蛋糕”大,而且“未来可期”,甚至可能会有“弯道超车”的机会。

  “5G通讯可能会带来新一波的需求,除5G通信本身的需求需要不同芯片,5G的应用也会带来新的需求,如物联网等。”周玉梅分析,“人工智能走向普及化也对适用于人工智能的芯片产生更多需求,人工智能与5G的叠加也可能衍生出更多的新应用,对于这些预判,业内认为集成电路仍旧会是一个蓬勃发展的产业。”

  正是有了这样的预判,全球的资本才愿意继续追逐技术的创新,不断地往前推进。

  那么,究竟摩尔定律到什么时候真正“失效”?戈登・摩尔也被无数次地问及这一问题。

  他认为,现在还有其他技术蕴含的发展潜力可能会超过集成电路,例如纳米产品、石墨氮原子层等新材料等。他猜测当攻克某个技术难题付出的成本太高,技术创新本身意义不大,进一步缩小元件尺寸所需的设备的造价非常昂贵时,摩尔定律可能会逐步退出历史舞台。但人们消费电子产品的方式不会有很大变化。当人们的思路跟不上技术发展时,他们会选择停止追逐新功能,不会再追潮流每年购置新产品,而是把旧产品用上三五年,企业也会放缓发展新技术的脚步。

(责编:赵超、吕骞)

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