计算机芯片已达物理极限,芯片工艺发展路在何方?

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1 摩尔定律还能存活多久?

1960年,在宾夕法尼亚大学举办的国际固态电路会议上,名为道格拉斯•恩格尔巴特(DouglasEngelbart)的年青计算机工程师介绍了简单但具有开创性意义的概念:缩小(scaling)。

恩格尔巴特从理论上阐明,随着电路尺寸越来越小,元器件速度将越来越快,能耗、制造成本会越来越低,这一切都呈加速发展态势。恩格尔巴特后来发明了计算机鼠标和其他个人计算技术。

当天坐在台下听恩格尔巴特演讲的听众中就有后来与其他人联合创建了英特尔的戈登•摩尔(GordonMoore)。1965年,摩尔量化了缩小原理,提出对计算机时代产生了深远影响的摩尔定律。他预测,在至少10年内,芯片集成的晶体管数量将每年翻一番,从而导致计算机处理能力大幅度提高。

他的预测发表在1965年4月份的《电子学》杂志上,后来被称作摩尔定律。这不是一条物理学定律,而是对一个新兴产业的观察结果,在此后的半个世纪中,摩尔定律被证明是有效的。

在1960年代早期,宽度约与棉纤维相当的一个晶体管,按现在的美元计算价格约为8美元(约合人民币51元)。目前,指甲盖大小的芯片可以集成数十亿个晶体管,晶体管的价格已经下降到1美分(约合人民币6分钱)能买好多的水平。

计算机芯片的发展帮助硅谷给世界带来了令人吃惊的进步,其中包括PC、智能手机和互联网。但是,最近数年,根据摩尔定律预测的芯片发展速度放慢了。约10年前,芯片速度停止进一步提高,新一代芯片问世的时间延长,单个晶体管的成本不再下跌。

《纽约时报》表示,技术专家现在认为,新一代芯片的问世会更慢,两代芯片之间的间隔将延长至2.5-3年。他们担心,到2020年代中期,届时仅由数个分子构成的晶体管将无法可靠地工作。除非有新的技术突破问世,摩尔定律时代将告终结。

计算机芯片已达物理极限,芯片工艺发展路在何方?

2 晶体管的缩小(scaling)历程

世界上第一个晶体管1947年在贝尔实验室问世。1964年出现了集成约30个晶体管的芯片,尺寸约为4毫米;英特尔的第三代酷睿i7四核芯片集成有14亿个晶体管,尺寸为160平方毫米。

计算机芯片已达物理极限,芯片工艺发展路在何方?

晶体管就是一个电子开关,与控制电灯的开关相似,栅极(gate)控制着电流能否由源极(source)流向漏极(drain)。电子流过晶体管在逻辑上记为“1”,不流过晶体管记为“0”。一个芯片上整合的数以百万计的晶体管就能通过影响相互的状态来处理信息。

在目前的芯片中,连接晶体管源极和漏极的是硅元素。硅被称作半导体,因为它有时是导体,有时是绝缘体。晶体管栅极上的电压控制着电流能否通过晶体管。为了跟上摩尔定律的节奏,工程师必须不断缩小晶体管的尺寸。英特尔目前采用22纳米制造工艺,相当于十亿分之二十二米,或者人类头发直径的四千分之一。相比之下,英特尔1971年推出的首款芯片4004采用10微米(10000纳米)工艺,相当于人类头发直径的十分之一。

英特尔Ivy Bridge芯片表明了不断缩小晶体管尺寸的难度。为了由早期的32纳米工艺升级到22纳米工艺,英特尔专门开发出了三栅极芯片设计,不但进一步缩小了晶体管尺寸,还降低了能耗。

但是,开发三栅极晶体管并非易事。英特尔研究人员在2002年就开发成功了三栅极晶体管——历经9年才投入大规模生产。这还不是唯一的挑战,其他挑战包括利用金属制造栅极、使用铜而非铝线连接晶体管等。

英特尔计划2013年将制造工艺进一步升级到14纳米,然后是10纳米、7纳米,2019年时升级到5纳米。

3 物理极限

芯片是由金属连线和基于半导体材料的晶体管组成的。最先进晶体管和连线的宽度小于光的波长,最先进电子开关的尺寸小于生物病毒。

芯片采用光刻工艺制造。自1950年代末被发明以来,光刻工艺一直在不断发展。目前,芯片光刻工艺已经发展到使用紫外激光。

由于元器件和连线的尺寸已经缩小到只有几个分子大小,工程师在芯片设计中采用了计算机模拟技术。设计自动化软件厂商MentorGraphics首席执行官瓦尔登•莱因(WaldenC.Rhines)表示,“这是在戏耍物理学。”

最近,业界对一种被称作极紫外线光刻的技术非常乐观。如果获得成功,它将使芯片厂商采用更先进的工艺生产芯片,同时简化芯片生产过程。但这一技术尚未在商业生产中得到验证。

今年早些时候,荷兰光刻机厂商ASML表示,已经获得美国一家客户的巨额极紫外线光刻机订单,大多数业内人士都认为这家客户是英特尔,这意味着英特尔在制造工艺方面将比其他芯片厂商领先一步。

不同于三星、台积电等主要竞争对手的是,英特尔高管坚信公司在可预见的将来能继续降低芯片制造成本,他们不认可晶体管价格已经趋于稳定的观点。

尽管如此,英特尔也不能完全“藐视”物理学。英特尔7月份表示,它将把采用10纳米工艺技术的时间推迟到2017年。这打破了英特尔一年换用新生产工艺、下一年采用新芯片架构的新产品发布周期。

英特尔首席执行官科再奇(BrianKrzanich)在一次分析师电话会议上说,“最近的两次技术转换已经表明,我们采用新工艺的周期接近2年半而非2年。”

由于元器件和连线的尺寸已经缩小到只有几个分子大小,工程师在芯片设计中采用了计算机模拟技术。但随着线宽的减小,载流子的热运动对IC内部元件和连线的影响就越明显。(电的热效应和光应用)

CPU的时钟频率在3GHz的频率下,波形由开到关(即1个时钟周期)的时间内,光只能前进10cm的距离;

LSI(Large Scale Integrated circuit,大规律集成电路)中的电路是采用一种印刷技术(光刻法)印上去的,在这样细微的尺度中,光的波长甚至都成了大问题,因为如果图像的尺寸比光的波长还小,就无法清晰地转印。可见波的波长范围约为400-800nm,因此最近45nm制程的LSI是无法用可见光来制造的。

在这种原子尺度的电路中(在1nm的长度上,只能排列几个原子),保持绝缘也是相当困难的。简单来说,就是电流通过了原本不应该通过的地方,这被称为漏电流。漏电流不但会浪费电力,某些情况下还会降低LSI的性能。

漏电流还会引发其他的问题,比如发热。随着SLI越来越精密,其密度也越来越高,热密度也随之提高。像现在的CPU这样高密度的LSI,其热度已经跟电熨斗或者烧烤盘差不多高了,因此必须用风扇等装置持续进行降温。照这个趋势发展下去,热密度早晚要媲美火箭的喷气口,如果没有充分的散热措施,连SLI本身都会被熔化。

传统芯片工艺的极限将是5纳米。超越这个极限后将遇到电流泄漏等难题。

在更高的速度、更低的能耗和更低的成本这三个因素中,芯片厂商只能选择其中的两个。

有人问霍金怎么看集成电路技术所面临的极限。虽然不是他的研究领域,但他总结了两点:光的有限速度和材料的原子特性

4 路在何方

目前,晶体管的源极、漏极和通道是用硅元素制成的,它们也可以由砷化铟、砷化镓、氮化镓和化学元素周期表上第三和第五族的其他元素制成。来自化学元素周期表中不同的族,意味着晶体管材料有不同的属性,它们的一大特性是有更高的电子迁移率,这意味着电子迁移速度更快,晶体管速度也可以因此更高。

但福勒指出,这可能仅仅是一个权宜之计,“使用其他材料有一定的潜力,但很快会遭遇硅晶体管遇到的问题。采用新材料可能会使芯片性能提高2、4倍,甚至8倍”。

改进芯片的另一个途径是利用“纳米线”取代硅材料制成的晶体管通道。更大的挑战是使用碳纳米管的可能性,但采用碳纳米管存在许多困难:连接碳纳米管与晶体管其他部分,改进它们的半导体属性,确保碳纳米管的尺寸和构成方式恰当。

后硅时代最有希望的一种晶体管材料是石墨烯。石墨烯可以卷成一个纳米管,平面的石墨烯也能用作半导体材料。石墨烯与碳纳米管相比的一个优势是,它的制造可以集成在晶圆制造工艺中,无需此后专门组装。另一个优势是石墨烯极高的电子迁移率,如果用石墨烯连接晶体管中的源极和漏极,晶体管的开关速度可以非常高。福勒说,“我认为石墨烯前景非常好。”

但使用石墨烯存在大量挑战。首先是它缺乏足够的带隙(bandgap)。石墨烯本身带隙为0,意味着它只能导电,不能用作半导体。Mears Technologies总裁罗伯特•米尔斯(Robert Mears)表示,“石墨烯有部分非常优秀的属性,但目前没有合适的带隙。石墨烯目前还不能取代硅或其他半导体材料,它是一种优良的连接介质、导体,但不能做成很好的开关。”

福勒这样描述理想的晶体管:“处于闭合状态时,电流通过能力强;处于断开状态时,几乎不消耗任何电能。目前的问题是,石墨烯晶体管很难断开。”

使一种材料具有合适“带隙”有多种途径,其中包括将两块分离的石墨烯组装成“纳米丝带”(nanoribbons),采用不同的晶体管栅极。如果科研人员能解决这些问题,石墨烯制成的晶体管可能尺寸不会更小,但速度会更快。福勒说,“我们还处于探索利用石墨烯的早期阶段,就像是1950年代探索利用硅元素那样。”

另外一种更激进的技术被称作自旋电子学,信息利用电子一种被称作自旋的属性在芯片内传输信息。福勒说,“如果可以利用电子自旋属性,而非电荷存储‘1’和‘0’,就不会存在移动电荷存在的热力学极限问题。未来的芯片不会遇到与目前芯片相同的能耗限制。”

依靠光而非电子携带信息的硅光子学技术也可以用于未来的芯片。福勒说,“这可能是芯片间通信,甚至芯片上信息传输的一种优秀技术。目前,芯片能耗中相当大一部分都用于芯片间同步,但一些有前景的研究项目在利用硅光子学技术解决芯片同步问题。”

米尔斯说,硅光子学技术的传输距离存在限制。问题是:光的波长大于芯片中连线的宽度,“尽管这曾经是我的主要研究项目之一,我并不看好采用硅光子学技术的芯片。硅光子学技术适合远距离通信,但不适合制造逻辑门。如果要制造或非门或与非门,需要采用电子学技术,传输数据时需要将电子信息再转换为光子信息”。

寻求硅的替代材料( III-V族化合物(磷化铟和砷化铟镓)、石墨烯、硅烯、碳纳米管等),可以继续提高芯片的集成度和性能。此外也可以另辟蹊径,在使用现有工艺的情况下来提高单位面积下晶体管的集成数量(比如2.5D、3D堆叠等方案,目前在NAND、DRAM等存储产品中已有不少应用,不过对于IC芯片来说,发热问题不好解决),此外,研究人员还在研究其他计算技术,例如光子计算、量子计算、DNA计算、自旋波设备等颠覆摩尔定律的超级计算机,但哪种技术能笑到最后尚不得而知。

计算机芯片已达物理极限,芯片工艺发展路在何方?

5 “More Moore”、”“More than Moore”、“Beyond CMOS”

  • “More Moore”:想办法沿着摩尔定律的道路继续往前推进。
  • “More than Moore”:发展在之前摩尔定律演进过程中所未开发的部分。
  • “Beyond CMOS”:发明在硅基CMOS遇到物理极限时所能倚重的新型器件。

计算机芯片已达物理极限,芯片工艺发展路在何方?1 “More Moore”

“More Moore”延续CMOS的整体思路,在器件结构、沟道材料、连接导线、高介质金属栅、架构系统、制造工艺等等方面进行创新研发,沿着摩尔定律一路scaling(每两年左右,晶体管的数目翻倍)。

“More Moore”的挑战在于:

  • 无法承受的能耗密度
  • 原子尺度的尺寸——物理限制
  • 制程、器件的不稳定性和偏差
  • 比例缩小并没有带来实质的性能提升(每次乘0.7或,后面得到的值之间的差越来越小)
  • 高昂的研发和制造成本

2 More than Moore

如下图所示,一个系统(比如您的手机芯片组)除了处理器还有很多其他部分的功能模块,这些橙色的部分还大有文章可做。

计算机芯片已达物理极限,芯片工艺发展路在何方?

摩尔定律(主要是数字电路和存储电路)切下了版图的一角却也留下了很大一块的空白。那些“空白”部分(比如模电以及后来兴起的微机电等等)并不是把MOS FET作为单纯的开关来用,也因此和数字电路不停地scaling的玩法不同,当这边看上去快要玩完的时候那边说不定还想大干一场呢。

其次,这些非数字的功能模块还有不少停留在PCB板级系统层面,还有很大的空间和潜力用比如3D IC等的技术向封装层面(System in a Package(SiP)) 或是单芯片层面(System on a chip(SoC))发展。

3Beyond CMOS

Beyond CMOS的主要思路就是发明制造一种或几种“新型的开关”来处理信息,以此来继续CMOS未能完成之事。因此理想的这类器件需要具有高功能密度、更高的性能提升、更低的能耗、可接受的制造成本、足够稳定以及适合大规模制造等等的特性。

计算机芯片已达物理极限,芯片工艺发展路在何方?

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