芯片破壁者（六.下）：摩爾定律的新世紀(jì)變局與無限火力

摩爾定律的第一次續(xù)命，成功拉開了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的激烈競爭。

當(dāng)時的產(chǎn)業(yè)邏輯是，制程領(lǐng)先的企業(yè)很容易獲得市場份額和規(guī)模優(yōu)勢，進(jìn)而讓落后者無利可圖。

但這種高速發(fā)展不斷撞上了新的天花板，摩爾定律也迎來了自己的第二次“被死亡”。

第二次續(xù)命：從 2D 到 3D，一杯名為技術(shù)的“美式咖啡”

20 世紀(jì) 90 年代中期，在 IBM 研究所工作的劉易斯·特曼（Lewis Terman）宣稱，摩爾定律的終結(jié)就在眼前。

原因很簡單，進(jìn)一步縮小晶體管尺寸再一次迎來技術(shù)瓶頸。

當(dāng)時，半導(dǎo)體行業(yè)開始用激光作為光源在硅晶圓平面上制造晶體管和集成電路，當(dāng)波長從 365 nm 降低到 248 nm，晶體管尺寸也逐漸逼近 100nm。隨著組件尺寸變小，當(dāng)晶體管處于“關(guān)閉”狀態(tài)時，電流很容易泄漏出來這會造成芯片的額外損耗。

2000 年，全世界研究者都在研究如何讓更短波長的微影蝕刻成功，延長干式機(jī)臺的壽命。臺積電在此時殺出，與 ASML 共同完成開發(fā)全球第一臺潤式微影機(jī)臺，采用 193 波長曝光的“濕式”機(jī)臺量產(chǎn) 45nm 制程，一時間引人矚目，將半導(dǎo)體制程從 45nm 向前推進(jìn)，讓摩爾定律得以延續(xù)。

很快，大家都覺得這已經(jīng)到硅芯片的極限了，摩爾定律再次失效，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的黃金年代也即將結(jié)束。

于是在 2002 年 11 月，英特爾股票被美林證券將降級 , 從 “中立”降為 “賣出”, 股價(jià)再次應(yīng)聲而落。

美國對于這種情況也十分擔(dān)憂，國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）還啟動了一個名為“25nm 開關(guān)（25-nm Switch）”的計(jì)劃，試圖提升芯片容納晶體管數(shù)目的上限。

讓英特爾及 “摩爾定律”繼續(xù)引領(lǐng)行業(yè)的，是一位華人。

加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授的胡正明，由于美國在能源領(lǐng)域的學(xué)術(shù)撥款緊縮，轉(zhuǎn)向參加企業(yè)項(xiàng)目，開始挑戰(zhàn)半導(dǎo)體領(lǐng)域的難題。

（FinFET 發(fā)明者胡正明）

既然晶體管尺寸無法再縮小，提升密度能不能同時保證技術(shù)和成本效益呢？按照這一思路，胡正明提出了鰭式場效晶體管（FinFET，F(xiàn)in Field-effect transistor）方案。

以前，整個芯片基本上是平坦的，而胡正明則一改此前元器件和電路都在芯片表面一層的 CMOS 晶體管工藝?yán)砟睿臑橛么怪狈椒ㄤ佋O(shè)電流通道。

在硅基底上方垂直布設(shè)細(xì)傳導(dǎo)通道，傳導(dǎo)通道像鯊魚鰭一樣排列，柵極可以三面環(huán)繞通道，而不是僅僅位于通道上方。

（FinFET 工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）

這種方式不僅能很好地接通和斷開電路兩側(cè)的電流，使柵極能夠更好地控制電子流動，從而大大降低了芯片漏電率高的問題，還利用垂直空間，大幅地縮短了晶體管之間的閘長。

晶體管尺寸發(fā)展到 25nm 以下后，F(xiàn)inFET 方案發(fā)揮了巨大的作用。

不過，F(xiàn)inFET 的工藝制造過程較為復(fù)雜，英特爾 2002 年起投入 3D 晶體管的研發(fā)，2011 才開始利用 FinFET 方案正式批量生產(chǎn)晶體管，22nm 的酷睿處理器三代就使用的 FinFET 工藝。

隨后，各大半導(dǎo)體廠商也開始轉(zhuǎn)進(jìn)到 FinFET 工藝之中，臺積電 16nm、10nm，三星 14nm、10nm 以及格羅方德的 14nm 等等，都是在 FinFET 工藝支撐下實(shí)現(xiàn)的。

3D 晶體管時代的開啟，又一次將摩爾定律推后了數(shù)年。

“摩爾定律”的舒坦日子還沒過多久，新的催命符又來了。

國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖更新后大家發(fā)現(xiàn)，增長在 2013 年年底又放緩了。

進(jìn)入三維結(jié)構(gòu)之后，芯片工藝無法嚴(yán)格按照既定的路線升級制程工藝。各個半導(dǎo)體廠商的產(chǎn)品創(chuàng)新屢屢被用戶吐槽“擠牙膏”，AMD 停留在 28nm 多年，英特爾在 14nm 節(jié)點(diǎn)區(qū)分出“14nm、14nm+、14nm++”三種制式更被引為笑談。

看起來，摩爾定律似乎在 14nm 節(jié)點(diǎn)上又一次無路可走了，接下來怎么辦？

一個來自于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，為美蘇“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃而開發(fā)的技術(shù)——EUV，開始在產(chǎn)業(yè)界登場。

（EUV 原理）

此前，英特爾用超微深紫外線（DUV，Deep Ultra Violet）技術(shù)制造出了為數(shù)不多的 30nm 晶體管樣品。隨后，研究人員又將下一步研究放在了大規(guī)模采用極紫外線刻蝕技術(shù)（EUV）來進(jìn)行生產(chǎn)上。

2012 年，英特爾、三星和臺積電（TSMC）為 ASML 的下一代光蝕刻技術(shù)募集了 13.8 億歐元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，其中有 4000 名專注 EUV 項(xiàng)目的員工。

有意思的是，盡管英特爾很早就在布局 EUV 技術(shù)，但最早推出 EUV 制造的 7nm 芯片樣品的，卻是 IBM。

當(dāng)時，《紐約時報(bào)》以《IBM Announces Computer Chips More Powerful than Any in Existence》（IBM 發(fā)布了比現(xiàn)有任何一種產(chǎn)品都強(qiáng)大的計(jì)算芯片）為題報(bào)道了此事，有些媒體更直言“IBM 打了英特爾的臉”。

不過，EUV 光刻技術(shù)采用 13.5nm 長的極紫外光作為光源，對光照強(qiáng)度、能耗效率和精度等都有極高要求。因此，盡管其研發(fā)始于 20 世紀(jì) 80 年代，但達(dá)到晶圓廠量產(chǎn)光刻所需要的技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)能要求，卻摸索了很長一段時間，以至于在此期間，摩爾定律不斷被挑釁。

2017 年的 GTC 技術(shù)大會上，GPU 芯片廠商 NVIDIA 英偉達(dá)甚至提出要靠 GPU 開啟 AI 時代的計(jì)算新紀(jì)元。其 CEO 黃仁勛聲稱，摩爾定律已經(jīng)終結(jié)，依靠圖形處理器推動半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展才是正道，而尋找更強(qiáng)大的 CPU 則應(yīng)該讓出主導(dǎo)地位。

以前，摩爾定律強(qiáng)調(diào)性能可以“一力降十會”，而英偉達(dá)認(rèn)為，賦予晶體管智慧比力量更加重要。

對此，摩爾接受《紐約時報(bào)》專訪時表示，如果良好的工程技術(shù)得到應(yīng)用，那么摩爾定律仍可以堅(jiān)持 5 到 10 年時間。

摩爾定律的變緩，給了 EUV 足夠的時間迎頭趕上這根救命稻草，終于在近些年成功落地。

2016 年后，EUV 光刻機(jī)開始投入晶圓廠，用于研發(fā)和小批量試產(chǎn)。隨后，三星、臺積電、英特爾等都爭先恐后地將 EUV 投入芯片量產(chǎn)，中芯國際斥資 1.2 億美元買入 EUV 光刻機(jī)的新聞也見諸報(bào)頭。

用 ASML（阿斯麥）研發(fā)副總裁 Anthony Yen 的話來說，EUV 光刻是目前唯一能夠處理 7nm 和更先進(jìn)工藝的設(shè)備，并被廣泛看做是突破摩爾定律瓶頸的最關(guān)鍵武器。

但成本，依然是困擾摩爾定律的難題。目前建設(shè)一個 7nm 工廠需要投資 150 億美元，5nm 工廠將需要 300 億美元，而 3nm 理論上是 600 億美元。

最后如何在終端市場上將成本順利攤銷，加上復(fù)雜國際政治局勢的干擾，對三星、臺積電等半導(dǎo)體廠商來說都是一件風(fēng)險(xiǎn)極大的事。

不難看出，在 EUV 為核心的戰(zhàn)場上，芯片廠商與代工廠的競爭已經(jīng)告一段落，更上游的半導(dǎo)體材料廠商、光刻機(jī)設(shè)備廠商，甚至學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的工藝創(chuàng)新，開始加入其中，成為拯救摩爾定律不可或缺的參與力量。

比如新的封裝技術(shù)。像是 Chiplet 小芯片系統(tǒng)封裝技術(shù)，就可以促進(jìn)芯片集成、降低研發(fā)成本、提高成品率，被認(rèn)為是擴(kuò)展摩爾定律有效性的另一種武器。

據(jù)說，臺積電最新的 3D SoIC 封裝技術(shù)將于 2021 年進(jìn)入批量生產(chǎn)，促進(jìn)高性能芯片的成本效益。

再比如尋找硅材料的替代品。利用新型材料做出分子大小的電路，也能使芯片性能變得更強(qiáng)大。在半導(dǎo)體發(fā)展歷程中，元素周期表上的各種可能都被廣泛嘗試過。

華為任正非就曾公開表示，石墨烯有潛力顛覆硅時代。英特爾也宣布，在達(dá)到 7 納米工藝之后，將不再使用硅材料。光刻膠等半導(dǎo)體材料的創(chuàng)新，也在推動摩爾定律的持續(xù)演進(jìn)。

（英特爾對半導(dǎo)體工藝的進(jìn)展預(yù)期）

也有人提出了“More than Moore”（超越摩爾定律）路線，通過改變基礎(chǔ)的晶體管結(jié)構(gòu)、各類型電路兼容工藝、先進(jìn)封裝等多種技術(shù)，共同發(fā)力來延續(xù)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，而不再局限于縮小晶體管特征尺寸所帶來的推動力。

總而言之，摩爾定律何時觸頂或未可知，但半導(dǎo)體行業(yè)的進(jìn)步永不終結(jié)，而圍繞產(chǎn)業(yè)規(guī)律展開的商業(yè)競爭與硝煙也會繼續(xù)延綿不休。

（超越摩爾定律：多樣化）

回望摩爾定律的一次次驚險(xiǎn)續(xù)命，不難發(fā)現(xiàn)，盡管其很多假設(shè)都會隨著時代變化而變得不再適用，但半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的特殊之處卻決定了它頑強(qiáng)的生命力。

一方面，摩爾定律督促著技術(shù)工程師們不斷挑戰(zhàn)極限，聚焦于難題上，以盡可能地挖掘硅部件的潛力，作為“硅谷的節(jié)拍器”，摩爾定律在讓行業(yè)走上巔峰的時候，也成為了產(chǎn)業(yè)的基本法。

而每當(dāng)行業(yè)發(fā)生本質(zhì)變化的時候，摩爾定律也會隨之得到修正和改變，使其始終保持著一定的準(zhǔn)確度。

此外，即使全行業(yè)都在摩爾定律之下展開激烈競爭，但這并不意味著標(biāo)新立異沒有意義，用不同的生產(chǎn)、工藝、材料等等方式尋求更快的發(fā)展，自控式企業(yè)也更容易抓住機(jī)會，打破固有的市場格局脫穎而出。

當(dāng)然，在摩爾定律的感召下，科學(xué)家、工程師、投資方，甚至曾經(jīng)的競爭者，也有可能形成共同體，在同一理想的支撐下大膽投入高風(fēng)險(xiǎn)的研發(fā)活動。

從日本半導(dǎo)體廠商的逆襲、英特爾的多年輝煌、英偉達(dá)的豪橫發(fā)言等身上，會發(fā)現(xiàn)正是摩爾定律的文化隱喻，讓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速率變得不可預(yù)測，也格外精彩。

這也是為什么，我們會追尋摩爾定律“起死回生”的歷史瞬間。因?yàn)樗粌H對半導(dǎo)體行業(yè)的變化趨勢十分重要，更是技術(shù)軌道和預(yù)言的重要范例。

半個多世紀(jì)以來，摩爾定律本身已經(jīng)改變，但其文化內(nèi)核卻始終不變，只是以更廣闊、更強(qiáng)大的方式與我們再次觸碰。