后摩爾定律時(shí)代，半導體技術(shù)將走向何方?

　　“繼續向下推進(jìn)新的制程節點(diǎn)正變得越來(lái)越困難，我不知道它(摩爾定律)還能持續多久?！?在與IMEC首席執行官Luc van den Hove的訪(fǎng)談中，戈登·摩爾如是說(shuō)。

　　作為世界領(lǐng)先的獨立納米技術(shù)研究中心，5月24日~25日，在比利時(shí)布魯塞爾舉辦的2016ITF(IMEC全球科技論壇)上，IMEC再一次將對摩爾定律的討論定為一個(gè)重要主題。

　　不能否認的是，摩爾定律正在逐漸走向極限。業(yè)界對于未來(lái)技術(shù)如何發(fā)展，早已有了“More Moore”(繼續推進(jìn)摩爾定律)和“More than Moore”(超越摩爾定律)的討論。隨著(zhù)兩條路的同時(shí)推進(jìn)，聽(tīng)一聽(tīng)IMEC上各位大咖的論述，也許能讓撥開(kāi)未來(lái)迷霧變得更簡(jiǎn)單一些。

　　摩爾定律終將停止?

　　“如果在未來(lái)十年中，scaling(尺寸縮小)走到了盡頭，我也不會(huì )覺(jué)得意外?！备甑恰つ柋硎?。

　　摩爾定律在近50年來(lái)被奉為半導體業(yè)界的“金科玉律”。它是基于現實(shí)推測而出的一種法則，指的是在成本不變的情況下，集成電路上可容納的晶體管數目按照一定時(shí)間呈指數級增長(cháng)。其中，幾乎所有成本的降低，都來(lái)自于對晶體管尺寸的縮小和對晶圓直徑的增加。

　　不過(guò)，近年來(lái)，隨著(zhù)硅的工藝發(fā)展趨近于其物理瓶頸，越來(lái)越多的人指出摩爾定律的滯緩，甚至認為該定律即將終結。

　　摩爾本人也一直在修訂著(zhù)自己的說(shuō)法。1965年第一次發(fā)布時(shí)，其預測是集成電路上的晶體管數量每一年翻一倍;到1975年，摩爾將其改為每2年翻一倍;到1997年，又改為每18個(gè)月翻一倍;到2002年，摩爾承認尺寸縮小開(kāi)始放緩;2003年，他又指出，摩爾定律還可以再繼續10年。

　　不過(guò)現實(shí)的情況是，成本問(wèn)題將使該定律提前遭遇天花板?！霸诩呻娐奉I(lǐng)域，scaling曾幫助我們不斷實(shí)現更小、更快、更便宜、能耗更低的目標。但現在，scaling已不再像過(guò)去一樣，同時(shí)提供上述所有好處?！盠uc van den Hove指出。

　　“從28納米向20納米過(guò)渡的時(shí)候，我們第一次遇到了晶體管成本上升的情況。而對于一個(gè)商業(yè)公司領(lǐng)導人來(lái)說(shuō)，必須去做利潤的考量?！庇w凌首席執行官Reinhard Ploss表示。

　　他指出，雖然從物理的角度來(lái)說(shuō)，目前半導體制造技術(shù)還沒(méi)有走到極限，芯片的大小還可以進(jìn)一步縮小，但從商業(yè)的角度來(lái)說(shuō)已經(jīng)遇到了極限。從技術(shù)節點(diǎn)的演進(jìn)來(lái)看，從90納米走到28納米，晶體管成本一直按照摩爾定律所說(shuō)，不斷下降，直到20納米節點(diǎn)時(shí)出現第一次反轉。

　　由于EUV技術(shù)的延遲實(shí)現，原本期待于22納米節點(diǎn)就引入EUV技術(shù)的制造商們不得不采取備選方案，例如采取輔助的多重圖形曝光技術(shù)等，但這樣會(huì )增加掩膜工藝次數，導致芯片制造成本大幅度增加、工藝循環(huán)周期延長(cháng)。目前，16納米工藝成本已經(jīng)很高，如果繼續采取浸潤式多重曝光微影制程技術(shù)，到10納米節點(diǎn)時(shí)，成本可能增加至1~1.5倍。

　　此外，隨著(zhù)scaling的不斷推進(jìn)，工藝制程技術(shù)的發(fā)展在穿孔、光刻、隧穿、散熱等方面上都碰到了越來(lái)越多的技術(shù)瓶頸。要改進(jìn)光刻技術(shù)，還要解決散熱問(wèn)題，同時(shí)工藝推進(jìn)所需要的精密生產(chǎn)設備投入也越來(lái)越高，這些都是阻礙半導體發(fā)展按照摩爾定律前進(jìn)的挑戰。

　　“呈指數級增長(cháng)一直是半導體產(chǎn)業(yè)的特征，它還將繼續下去。但是增長(cháng)率和前往下一個(gè)技術(shù)節點(diǎn)的節奏可能放緩，逐漸向全球GDP增長(cháng)率看齊(2015年全球GDP增長(cháng)率約為2%)?！盇SM公司首席技術(shù)官兼研發(fā)主管Ivo J. Raaijmakers表示。

　　如何繼續推進(jìn)摩爾定律?

　　“Scaling還會(huì )繼續，我不僅相信它將會(huì )繼續，而且我認為它不得不繼續?！盠uc van den Hove強調說(shuō)。他確信scaling還會(huì )持續幾十年，但摩爾定律將會(huì )有所改變，不再只涉及尺寸上的scaling。

　　Ivo J.Raaijmakers表示同意，他認為“由于需求所致，產(chǎn)業(yè)界必將會(huì )找到一個(gè)方法來(lái)繼續scaling，但是它將會(huì )有所不同，不再完全依照過(guò)去傳統的摩爾定律和Dennard scaling(單位面積晶體管數不斷增加而功耗保持不變)?！?/p>

　　其實(shí)，業(yè)界并不需要特別擔心。Mentor Graphics總裁兼首席執行官WALDEN C.RHINES表示，“即使摩爾定律命中注定會(huì )結束，但還有學(xué)習曲線(xiàn)(learning curve)的存在?！?/p>

　　而此前，scaling也曾多次遇到過(guò)技術(shù)門(mén)檻，但隨著(zhù)各種技術(shù)手段的投入保證了摩爾定律的持續作用，例如90納米時(shí)的應變硅、45納米時(shí)高k金屬柵等的新材料、22納米時(shí)的三柵極晶體管等。

　　Ivo J.Raaijmakers指出，想要繼續推進(jìn)技術(shù)發(fā)展，我們需要在“材料、制程、結構”三個(gè)維度進(jìn)行創(chuàng )新?！癐DM和Foundry廠(chǎng)商主要通過(guò)改變流水線(xiàn)(Pipeline)架構進(jìn)行結構性創(chuàng )新，設備和材料供應商主要進(jìn)行材料和工藝創(chuàng )新?！?/p>

　　2D的scaling確實(shí)會(huì )越來(lái)越難，從現有的制程技術(shù)節點(diǎn)向下一個(gè)節點(diǎn)推進(jìn)所需要的時(shí)間也將越來(lái)越長(cháng)。而向下一個(gè)技術(shù)節點(diǎn)發(fā)展，可以采取一種全新的架構設計。在設備技術(shù)方面，FinFET技術(shù)將過(guò)渡到水平納米線(xiàn)(Lateral Nanowire)，和垂直納米線(xiàn)(Vertical Nanowire)。以3D的方式構建，將原有的硅片平面蝕刻技術(shù)轉變成多層蝕刻技術(shù)，再將這些蝕刻出的薄層硅進(jìn)行堆疊連接。

　　“我們需要更好的利用起來(lái)第三個(gè)空間維度。例如在構建3D SRAM單元的時(shí)候，你可以疊加多個(gè)單元。FPGA也是一樣，你也可以構建一個(gè)標準單元再進(jìn)行堆疊?！盠uc van den Hove指出。

　　另一個(gè)可能的方法是異構芯片堆疊，這樣其中的每個(gè)芯片都可以改善其負荷的工作量。結合硅穿孔技術(shù)和轉接板技術(shù)，你可以把處理器、存儲等芯片集成在一起?；诖抛孕碾娐废啾菴MOS，可以用更少的組件創(chuàng )建集成。

　　“將晶體管堆疊與異構集成相結合，可以繼續scaling，一直推進(jìn)到3nm制程節點(diǎn)?！盠uc van den Hove表示。

　　而在光刻技術(shù)方面，IMEC認為，EUV是一個(gè)有成本效益的光刻解決方案。采用波長(cháng)13.5nm的EUV被看好可用于所有關(guān)鍵層的微光刻，但一直以來(lái)業(yè)界還尚未解決EUV的批量生產(chǎn)問(wèn)題。

　　“我們也許很快就可以看到EUV真正投入使用，不過(guò)也許需要運用相應的平坦化技術(shù)?！?IMEC制程技術(shù)高級副總裁An Steegen表示。

　　格羅方德(GLOBALFOUNDRIES)首席技術(shù)官Gary Patton指出，EUV光刻技術(shù)可以減少30天的工藝循環(huán)周期時(shí)間，大概每層掩膜上可以比現有技術(shù)節約1.5天的時(shí)間，同時(shí)還可以保證更小的電子參數變量，實(shí)現更嚴格的制程管控。

　　Gary Patton則認為，EUV在2018年和2019年時(shí)可能會(huì )有非常小范圍的使用，并將于2020年全面投入制造流程。

　　改變所用的金屬材料也是一個(gè)思路?！氨热鐝匿X材料到銅材料到鈷材料，保證了向下一個(gè)技術(shù)節點(diǎn)前進(jìn)的可能性?！卑退狗蚬煞莨緢绦卸聲?huì )副主席兼首席技術(shù)官Martin Rudermüller指出。在10納米以下的制程節點(diǎn)，鈷材料與銅材料相比具有更低的電阻率，添加了鈷材料的解決方案可以實(shí)現自下而上的用電化學(xué)沉積填補薄膜空隙。

　　后摩爾定律時(shí)代怎么辦?

　　“摩爾定律正在走向終點(diǎn)，需要從整個(gè)系統優(yōu)化的角度來(lái)考慮，從而克服現有的技術(shù)挑戰，實(shí)現進(jìn)一步的增值?！庇w凌首席執行官Reinhard Ploss強調?！爱斨瞥坦濣c(diǎn)走到商業(yè)極限的時(shí)候，我們就需要一個(gè)突破性創(chuàng )新來(lái)改變這個(gè)局面?！?/p>

　　他指出，如果僅僅只是強調制程技術(shù)的演進(jìn)，不僅需要大量的創(chuàng )新元素，還會(huì )導致研發(fā)經(jīng)費呈指數級迅猛增長(cháng)?！鞍雽w產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從集成電路進(jìn)化到了集成系統，未來(lái)系統集成還將繼續推進(jìn)?！?/p>

　　逐漸改善設備帶來(lái)的效果已經(jīng)降到了最低，而系統級的優(yōu)化仍然有很大的潛力。例如在數據中心這一應用領(lǐng)域，過(guò)去我們曾通過(guò)設備優(yōu)化，節省了2%的能耗;目前我們通過(guò)改善電源，節省了8%的能耗;未來(lái)則有可能通過(guò)對整個(gè)數據中心做優(yōu)化，節能25%的能耗。

　　除了目前使用的硅CMOS以外，新的技術(shù)和材料也存在著(zhù)可能性，例如寬禁帶半導體材料及器件，都有著(zhù)極大發(fā)展潛力，需求的增加和技術(shù)的進(jìn)步都將促進(jìn)它的到來(lái)?！耙隚aN(氮化鎵)可以顯著(zhù)減少功耗并實(shí)現功率密度的飛躍，而SiC(碳化硅)和GaN都可以幫助實(shí)現高性能等?！盧einhard Ploss表示。

　　當然，芯片業(yè)也在進(jìn)行創(chuàng )新思維，尋找一些全新的范式，例如量子計算和神經(jīng)形態(tài)計算等。在神經(jīng)計算方面，IMEC正在從硬件領(lǐng)域模仿大腦內部的連接構造，根據每一個(gè)神經(jīng)元都通過(guò)其突觸與其他10~15000個(gè)神經(jīng)元相連的原理，做出可縮小的全球神經(jīng)交流解決方案。

　　以新應用需求驅動(dòng)應用領(lǐng)域變革也許是超越摩爾定律的一個(gè)戰略思路，例如自動(dòng)駕駛、IoT、云數據中心都將是未來(lái)IC將出現爆發(fā)級增長(cháng)的應用領(lǐng)域。這些應用領(lǐng)域需要不同的傳感器、低功耗處理器和高度集成的芯片。

　　“目前，電子組件已經(jīng)占據汽車(chē)生產(chǎn)成本的約30%，到2020年將可能達到約35%，到2030年將可能達到約50%?！眾W迪汽車(chē)電子和半導體技術(shù)中心主管兼漸進(jìn)式半導體計劃主管Berthold Hellenthal指出。這將需要不斷增加的軟件代碼行和不斷增長(cháng)的車(chē)內、車(chē)外、車(chē)輛間的數據流量。

　　IoT也將向著(zhù)更加智能化的節點(diǎn)演進(jìn)。亞德諾半導體(Analog Devices)高級副總裁兼首席技術(shù)官Peter Real指出，這包括在節點(diǎn)將數據轉化為信息的智能傳感技術(shù)，未來(lái)還需要降低整體能耗、降低延遲、減少貸款和浪費，讓反應性的物聯(lián)網(wǎng)成為預測性和實(shí)時(shí)的物聯(lián)網(wǎng)。

　　“IoT的演進(jìn)將是硬件和軟件的系統性綜合，而不是硬件對軟件。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用目前面對著(zhù)現實(shí)技術(shù)還不成熟的現實(shí)，芯片級傳感器(chip scale sensors)、能量采集、超低功耗技術(shù)、制程、封裝等都還存在著(zhù)技術(shù)挑戰?！盤(pán)eter Real表示。

　　他認為，很多應用將需要在單一信號鏈中的不同節點(diǎn)上都擁有分析能力，但又有帶寬、延遲和能耗方面的限制;系統架構將變得至關(guān)重要，要慎重地決定在什么位置放置存儲、處理器、算法和硬件加速器等;而根據工業(yè)、健康、汽車(chē)等應用領(lǐng)域的不同，系統的架構也會(huì )相當不同。

　　精確醫療也將是一個(gè)未來(lái)半導體技術(shù)可以發(fā)揮作用的重要領(lǐng)域?！癉NA測序已經(jīng)趕超了摩爾定律的速度，”Luc van den Hove指出。DNA測序是精確醫療的關(guān)鍵因素，但往往需要高達百萬(wàn)元甚至千萬(wàn)元級的成本費用。IMEC正在嘗試推進(jìn)這方面工作進(jìn)展，它已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一款集合了光子和電子的芯片，可以將DNA測序的成本降低一半。