英特爾共同創始人哥頓·摩爾(Gordon Moore，圖1)在去年與世長辭，而他對半導體芯片晶體管密度持續增長的著名預測依舊聞名於世。占士·麥肯齊(James McKenzie)深入研究了這一60多年來仍然正確的預測，也就是大家所熟知的「摩爾定律」，但同時也提醒人們，這一定律的延續正日益困難，且成本不斷攀升。
圖1 於2023年3月去世的哥頓·摩爾是英特爾聯合創始人，後擔任英特爾行政總裁
當台積電(TSMC)2022年宣布計劃興建一座新的集成電路制造工廠之時，引人註目的不僅僅是高達330億美元的造價，更重要的是這座即將在2025年於新竹啟動的新工廠會被用於制造 世界上第一款「2納米」尺度的芯片 。新芯片會比現有任何芯片更小、更快，且能效提高30%。台積電的新芯片將幫助包括蘋果公司在內的客戶極大提升從智能電話到電腦等電子器材的效能。
不過半導體行業對能夠制造出如此小尺度且效能強勁的芯片已經習以為常，早在1965年哥頓·摩爾就提出了被後世稱為 「摩爾定律」 的著名預測， 即在集成電路(芯片)上的晶體管數量每年都會翻倍。 摩爾在【電子學】雜誌上預測，到1975年，工業界有能力在一個面積為一平方英寸(6.25 cm)的矽芯片上制造25萬個元器件。
雖然摩爾本人後來自謙地稱這個預測只是一個「野心勃勃的推測」，並且其在1975年將這個預測修改為每2年晶體管數量增加1倍，但這樣一個「推測」確實一直被事實驗證至今。 實際上摩爾定 律從未被確立為一個科學「定律」，更多的是對半導體行業發展的描述以及推動未來產業發展的路線。
展望未來
基礎物理學告訴我們， 隨著晶體管的變小，其執行速度更快，所需功率更低。簡單的經濟學原理也告訴我們，當一個芯片上放置了更多的晶體管時，每個晶體管所需的制造成本也更低。 摩爾在他1965年發表的文章中提到「元器件的成本幾乎與元器件數量成反比」。事實證明摩爾是個有遠見的人，他正確地預見了半導體技術的迅猛發展，雖然多年過去，晶體管尺縮技術的具體細節已經有了很大的變化，但摩爾對於集成電路發展的預測已經成為了現實。他成功預見了數碼手表、家用電腦、智能電話(或被他稱為個人移動通訊器材)的出現，以及用電話線傳遞多種資訊、自動駕駛技術的問世。
在一次發起的摩爾定律50周年的采訪中，摩爾表示自己也很驚訝他的預測能夠持續如此之久， 「我從沒想過有人能把這個定律記這麽久」。 對他來說，摩爾定律的延續是對半導體產業工程師創造力的贊美，他們一次又一次地找到了新的方法來縮小晶體管尺寸，「我覺得只有幾代(芯片)的持續，在那之後(我們)會碰到一些壁壘，但事實上這些壁壘不斷地被打破。
但在同一次采訪中， 摩爾也指出兩個基本物理極限將最終阻止芯片進一步微型化。 他回憶起物理學家史帝芬·霍金在存取矽谷時說過的話， 「沒有什麽可以超過光速，而材料最終也是由有限大小的原子組成的。」 換言之， 芯片的速度和尺度都有限制。 摩爾提出了一個警示：「這些是我看不到怎樣才能繞過去的基本問題。而在接下去的幾代芯片上，我們就會直面這些問題。」
那麽，摩爾定律的終結真的要來了嗎？
更小、更快、更好
電腦的核心是 中央處理單元(CPU)， 它是由晶體管連線在一起並形成能執行基本算術運算的集成電路。世界上第一款單芯片微處理器是英特爾在1971年釋出的四位CPU，即 Intel 4004 。其擁有2300個晶體管，每個晶體管的尺寸為10 µm，售價為60美元。不過摩爾預測，集成電路上的晶體管數目會迅速提升。
在80年代早期，產業界已經開始生產1 µm尺度的晶體管，單個芯片能容納的晶體管數目也達到10萬個，這個數碼在90年代初已經達到了一百萬，21世紀初則接近了千萬，十年後更是已經過億。 最新的利用「5 nm工藝」生產的CPU可以容納超過100億個晶體管，2019年英特爾已經能在一平方毫米的芯片上制造一億以上的晶體管了(圖2)。 (不過現在的工藝名稱並不代表器件的實際尺寸，例如台積電的2 nm芯片並不代表晶體管的實際物理尺寸能到2 nm。)
圖2 芯片上的晶體管數目在英特爾1971年釋出第一款CPU芯片4004後快速上升。「摩爾定律」表明這個數目每兩年會翻一倍，但繼續這種趨勢正變得越加困難
現代集成電路制造是透過采用矽或其他半導體作為襯底，使用各種 「光刻」 技術逐層構建電路。制造工藝通常都涉及光或化學反應，除了極高的工藝制造水平之外，代工廠的潔凈程度也令人稱奇。
1971年英特爾生產的4004芯片采用「10 µm工藝」，也就意味著芯片上所有晶體管之間的間距不超過10 µm。為了達到這樣的小尺寸，英特爾率先使用了 「光學掩模」技術 ，其本質上是一個 大的、透明的玻璃板，部份被鉻覆蓋形成圖形， 藍光透過掩模照射在晶片表面上。英特爾巧妙地使用 光敏有機光刻膠 覆蓋了晶圓，當光線照射到這些有機層的時候就會產生反應，未被曝光的區域則保持原樣，之後可以使用溶劑溶解掉那些被光線照射到的部份，從而 把掩模上的原始圖案移到矽上(圖3) ，而完整地制造集成電路所需的器件都需要 幾步掩模工藝 完成。
圖3 光刻是制造更小晶體管的核心技術。這項技術透過在矽的表面塗覆能與光發生化學反應的光刻膠，結合有圖形的掩膜板，進一步采用光照和顯影來實作矽襯底表面的圖形化
為了讓集成電路晶體管尺縮延續，人們在掩模和晶圓之間引入了越來越精確的 「投影透鏡」 。例如，在80年代， 「步進式光刻機」 的發展讓 2 µm芯片 成為可能。步進式光刻機統治了90年代的光刻技術，直 到 250 nm 尺度 。
集成電路制造中最小尺度最終被兩個因素所限制： 首先是光 刻膠的最大分辨率，其次是能夠投影到晶圓上的影像最小尺寸。 這個最小尺寸也被稱為瑞立準則或繞射極限，由公式0.61 /NA給出，其中λ是光的波長，NA是投影透鏡的數值孔徑。換句話說，光波長的一半定義了最小的投影尺寸。為了達到更小的尺度，光刻系統在多年的發展中逐漸轉向了比 藍光(波長436 nm) 波長更短的 紫外光(波長365 nm) ，以及後來的 深紫外光(波長248 nm) ，最新的光刻機則采用了 ArF準分子激光(193 nm) 作為光源。而數值孔徑的提升，從早期系統的0.16到目前驚人的0.93，也很大程度上幫助了摩爾定律繼續延續。
向2 nm進軍
台積電的工廠是如何實作2 nm工藝呢？即使對於193 nm波長的光來說，這個尺度也遠低於繞射極限。為了更小的尺度，大部份芯片制造廠都轉向了 荷蘭ASML公司所開發的使用13.5 nm波長極紫外光的全新EUV光刻機 ，這種光源已經接近 X射線的 範圍。這是令人難以置信的工程壯舉，它極大地推動了技術發展， 進一步逼近了物理理論極限 。在真空中用激光轟擊錫的熔融滴，產生 EUV光 ，隨後被Zeiss提供的鏡片反射。每台EUV光刻機超過1.5億美元。盡管價格昂貴，但目前為止AS ML公司已經售出了140多台這樣的 EUV光刻機 ，作為唯一的供應商，ASML公司的技術能力事實上成為了半導體工業擴張的瓶頸。
根據【麻省理工科技】報道，第一代用EUV技術制造的芯片已經在谷歌、亞馬遜等公司被用於轉譯技術、搜尋引擎、影像辨識及人工智能等科技上。我們的日常消費品中也有EUV技術的身影，蘋果和三星最新款的手機芯片都需要用到ASML的器材來制造。
當然，材料科學與晶體管設計方面的進步也幫助了摩爾定律繼續延續，以 「鰭式場效應晶體管」(FinFET) 為例，它們在矽基底的表面使用隆起的鰭式結構。FinFET是3D堆疊式晶體管的先鋒，一些半導體公司已經做出了176層掩模層的器材，而半導體工業發展路線表明，接下來幾代器件可能采用超過600層掩模層的器材去制造。最新的2 nm工藝甚至使用了更高端的晶體管技術，也就是所謂的 全環繞柵極技術(GAA) ，IBM公司已經采用這種晶體管技術制備了密度高達每平方毫米3.3億個晶體管的芯片，而IBM聲稱這種技術能在指甲蓋大小的芯片上容納 超過500億個晶體管 。這項技術將大大延長智能電話電池的壽命，減少數據中心的成本，且讓筆記電腦執行更快。
突破物理限制
事實上業界正在嘗試一切可能的手段去延續摩爾定律。ASML正在著力發展1 nm光刻技術，這是值得期待的，畢竟2 nm工藝所生產的芯片相比3 nm工藝的芯片效能將提高15%，同時能耗減少25%。
摩爾定律當然尚未終結。 雖然在2 nm的尺度物理上只有10個矽原子了，但是實際器件尺寸並不是2 nm， 兩個柵極之間的距離可能達到50 nm， 所以我們還有繼續尺縮的空間。
但另一方面，我們已經很難預見以後延續摩爾定律的關鍵創新是什麽。2016年，來自德國、日本和美國的研究人員制造了 一個由酞菁分子(phthalocyanine)和僅12個銦原子組成的晶體管，其柵極尺寸為0.167 nm，這可能是「摩爾定律的絕對硬極限」。 為了不同的套用設計不同類別的芯片也是一種可行的方法，例如利用圖形處理單元(GPU)而不是CPU計算的AI技術，GPU能夠平行計算的特性提升了計算效率。
最後，將摩爾定律延續到多遠可能是一個純粹的經濟問題。就像相比於5 nm工廠150—200億美元的造價，台積電的最新工廠成本高達330億美元，延續摩爾定律是一項風險極高的遊戲。在這種情形之下，只有少數的幾個玩家有開發下一代芯片技術的資本。它們沒有放棄摩爾定律，但前面的道路將困難重重。
來源：
中國物理學會期刊網
編輯：wnkwef
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