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2021-04-09 11:44:03來源:人民網
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原標題:面對自然法則極限摩爾定律這根指揮棒還能揮舞多久

  3月末,蔚來汽車宣布因芯片短缺暫停生產5天,這一公告引起社會熱議。不僅是汽車,如今我們的生活已經離不開芯片,隨著芯片在日常生活中占據的位置日益重要,其升級也受到越來越廣泛的關注。

  提到芯片的發展升級,就不得不提起大名鼎鼎的摩爾定律。1965年4月,《電子學》(Electronics)雜志上發表了一篇對電子行業進行預期的文章,提出微處理器運算能力每12到18個月提高一倍,或者說是芯片從設計到制造過程中,工藝進步使得集成度翻倍,成本減半。

  摩爾定律提出50年后,提出者戈登·摩爾在接受采訪時吐露心聲:這只是一個大膽推測!暗髞磉@個推論不斷驅動和主宰半導體行業的發展,我也就心安理得了!

  幾十年來,一直有“摩爾定律不久就會失效”的聲音,但時至今日,它仍顛撲不破。集成電路發展取得突破的新消息仍舊不斷傳來,繼5納米后,3納米芯片已在量產途中。與其說戈登·摩爾做出了大膽的預測,不如說他給半導體行業做出了不斷前進的“小目標”。

  是預測,更是小目標

  我們可以將集成電路想象成在硅片上的“微雕”,即在硅圓晶上雕刻亭臺樓閣、立交路網甚至整個城市,只不過所用的“刻刀”是光。

  為什么當下集成電路領域的少數企業能夠形成壟斷?例如光刻機荷蘭阿斯麥爾獨領風騷,芯片制程臺積電一騎絕塵。

  它們其實并不是一開始就領跑的!叭毡镜墓饪虣C其實在這個行業里稱霸了幾十年,但當極紫外光刻到達某個程度,由于資金和人力成本投入太高,日本的產業做出了一個預判,花更大成本獲得更高精度的芯片可能很難得到廣泛的商業應用,因此對投入產出比的判斷使他們放緩了對更高精度光刻機的研制! 中國科學院微電子研究所研究員周玉梅告訴科技日報記者,而荷蘭做光刻機的團隊執著地認為技術能夠一點點往前推進,在不斷推進的過程中,一些大企業加入合作,如臺積電即在前期進入、投入,共同研發。

  合作使得新的技術極限很快獲得突破。

  正是由于半導體產業的不同位置的企業、團隊的共同推進和成果共享,突破極限的芯片被成功應用,摩爾定律也因此可以繼續向前推進。

  雖然在推動半導體產業遵循摩爾定律的過程中,很多企業的投入成為“炮灰”,但從人類挑戰微觀世界極限的角度來看,它們非常值得尊重。

  二十多年前,極紫外光刻等技術路線尚在探索中。據記載,1997年業內就預測2006年芯片特征尺寸將縮小到100納米,而100納米是一種挑戰,因為制造小于100納米線寬的集成電路時,光源波長將大于其特征尺寸,常規的光學光刻工藝失靈,為此必須尋找一種完全嶄新的光刻工藝。世界各大半導體公司、大學和研究所那時都努力探索研究這種新工藝,如英特爾公司領導的聯合體采用光源為氙氣的特別紫外線光刻,其波長小于10納米;IBM公司采用X射線光刻,其波長為5納米;美國得克薩斯大學和美國半導體制造技術戰略聯盟聯合采用紫外線光刻刻出80納米圖形,同時采用特殊的刻蝕石英掩膜,朗訊公司采用電子束光刻……這些方法復雜、昂貴,需要大批量生產考驗。

  當然,最終經受住考驗的那個結果我們這個年代的人已經知曉,但在當時為了實現突破極限、按照摩爾定律推進的“小目標”,整個產業都勇立在原始創新的潮頭。

  不同環節共同推進技術發展

  在硅晶上“微雕”一個縮微城市,讓每個電子都帶著正確的指令飛奔,當然不會是光刻機“獨挑大梁”。

  單就芯片的制造設備來說,從大類分包括光刻機、清洗設備、薄膜生長設備、高溫固化設備、刻蝕設備等。而從整個生產鏈條看,材料、設計、軟件、元器件等都是這個產業鏈上不可或缺的環節。例如在細線條的光刻機上已經鮮有聲音的日本,在集成電路制作的專用材料上仍占據重要位置。而美國在芯片設計軟件、設計技術方面是領先的。

  芯片不斷突破極限的發展就是在這個鏈條上的不同環節上不斷地打破瓶頸。例如,自2005年至今,隨著晶體管密度越來越大,晶體管電路逐漸接近性能極限,當晶體管越做越小時,就會產生電子等微觀粒子通過量子隧道效應穿越位勢壘的行為,使晶體管出現漏電現象。

  工程師們正在努力地攻克這些瓶頸,他們創新性地突破了一些難題,但隨著技術的不斷發展,遇到的問題也會越來越復雜。

  如在元器件方面,2020年12月17日,復旦大學微電子學院發布消息,該院周鵬教授團隊針對具有重大需求的3—5納米節點晶體管技術,驗證了雙層溝道厚度分別為0.6/1.2納米的圍柵多橋溝道晶體管(GAA,Gate All Around),實現了高驅動電流和低泄漏電流的融合統一,為高性能低功耗電子器件的發展提供了新的技術途徑。

  據悉,GAA晶體管有望取代現在集成電路上使用的FinFET(鰭式場效應晶體管),有望解決微縮提升性能難以為繼的問題。韓國三星和臺積電均已掌握了這一項技術,或將用在3納米或2納米芯片中。

  而在芯片基材方面,哈爾濱工業大學韓杰才院士團隊,與香港城市大學、美國麻省理工學院等單位合作,在金剛石單晶領域取得重大科研突破。相關研究成果“微納金剛石單晶的超大均勻拉伸彈性”2021年1月在線發表于《科學》雜志。除了金剛石芯片之外,人們還在探索石墨烯作為芯片的基材。

  再比如光刻機光源方面,清華大學及合作研究團隊2月25日在《自然》上發表的論文展示了一種新型粒子加速器光源原理!蹲匀弧

  維持摩爾定律的“動力”在哪里

  關于摩爾定律極限的問題,戈登·摩爾引用了史蒂芬·霍金在硅谷回答同樣問題時的言論:“他提出了兩個技術極限,即光的極限速度和物質的原子本質。我非常同意他的觀點。我們目前已經很接近‘原子’極限(原子的直徑在0.01納米到0.1納米之間),而芯片的運行速度也越來越快,但離光速還很遠。這兩個都是最基本的自然法則,我們很難達到和超越這個極限。這也是未來幾十年里工程師們需要接受的挑戰!

  那么究竟是什么動力,讓整個產業持續創新,共同推動技術逼近自然極限?

  市場無疑是產業發展的原創動力——

  3月1日國新辦新聞發布會上,工業和信息化部黨組成員、總工程師、新聞發言人田玉龍介紹,2020年我國集成電路銷售收入達8848億元,平均增長率達20%,為同期全球集成電路產業增速的3倍。

  集成電路產業不僅“蛋糕”大,而且“未來可期”,甚至可能會有“彎道超車”的機會。

  “5G通訊可能會帶來新一波的需求,除5G通信本身的需求需要不同芯片,5G的應用也會帶來新的需求,如物聯網等!敝苡衩贩治,“人工智能走向普及化也對適用于人工智能的芯片產生更多需求,人工智能與5G的疊加也可能衍生出更多的新應用,對于這些預判,業內認為集成電路仍舊會是一個蓬勃發展的產業!

  正是有了這樣的預判,全球的資本才愿意繼續追逐技術的創新,不斷地往前推進。

  那么,究竟摩爾定律到什么時候真正“失效”?戈登·摩爾也被無數次地問及這一問題。

  他認為,現在還有其他技術蘊含的發展潛力可能會超過集成電路,例如納米產品、石墨氮原子層等新材料等。他猜測當攻克某個技術難題付出的成本太高,技術創新本身意義不大,進一步縮小元件尺寸所需的設備的造價非常昂貴時,摩爾定律可能會逐步退出歷史舞臺。但人們消費電子產品的方式不會有很大變化。當人們的思路跟不上技術發展時,他們會選擇停止追逐新功能,不會再追潮流每年購置新產品,而是把舊產品用上三五年,企業也會放緩發展新技術的腳步。




責任編輯:胡睿琳

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