英特爾高級院士馬博：誰(shuí)能影響摩爾定律

　　Mark T. Bohr(馬博)：英特爾高級院士，技術(shù)與制造事業(yè)部工藝架構與集成部門(mén)總監。1978 年加盟英特爾，曾負責開(kāi)發(fā)：英特爾首次推出的 CMOS 技術(shù)、全球首項 CMOS DRAM 技術(shù)、英特爾首項 BiCMOS 技術(shù)，以及新近推出的采用應變硅晶體管以及銅和低 K互連技術(shù)的90nm和65nm技術(shù)；目前領(lǐng)導開(kāi)發(fā)英特爾45nm技術(shù)。

　　馬博在伊利諾伊大學(xué)香檳分校獲得工業(yè)工程學(xué)士和電氣工程碩士學(xué)位。他于2003年獲得 IEEE 安德魯·格魯夫獎，2005 年當選美國國家工程學(xué)院院士。馬博在集成電路工藝領(lǐng)域擁有 31 項專(zhuān)利。

　　1997年，美國計算學(xué)會(huì )(ACM)為紀念成立50周年，邀請了圖靈獎獲得者等20位計算權威預測未來(lái)50年的計算，并集結成《超越計算：未來(lái)50年的電腦》一書(shū)，因為對未來(lái)的展望是對歷史最好的紀念。

　　今年是集成電路發(fā)明50周年。4月3日，英特爾半導體工藝領(lǐng)域首位高級院士馬博在上海舉辦的英特爾信息技術(shù)峰會(huì )上接受了本報記者的獨家專(zhuān)訪(fǎng)。我們希望通過(guò)對半導體工業(yè)未來(lái)面臨的挑戰和機遇的探討，來(lái)紀念過(guò)去50年來(lái)集成電路對電子工業(yè)乃至整個(gè)人類(lèi)社會(huì )做出的貢獻。

　　摩爾定律邁過(guò)一坎兒

　　記者：半導體公司都在積極地探索HkMG(高k材料和金屬柵極材料)，英特爾找到合適的HkHG的過(guò)程，是像牛頓從蘋(píng)果落地而發(fā)現萬(wàn)有引力定律那樣靈機一動(dòng)，還是像愛(ài)迪生尋找合適的燈絲材料那樣經(jīng)過(guò)無(wú)數次試驗？

　　馬博：和愛(ài)迪生的經(jīng)歷更為相似。我們多年來(lái)系統地測試了各種各樣的材料，并且將試驗工作和理論工作相結合，以確定最佳的HkMG。

　　記者：經(jīng)過(guò)了多少次試驗，數千次？

　　馬博：我不知道是否能給出確切數字?；蛟S不到一千種，但可以確定地說(shuō)，至少研究了上百種不同的材料或材料組合。

　　記者：英特爾2007年在45nm工藝上引入HkMG，是CMOS工藝40年來(lái)最重要的革命。的確，無(wú)論是重啟了晶體管體積縮小的進(jìn)程，還是為未來(lái)數代加工工藝的實(shí)現掃清了障礙，HkMG都有重要的意義。你如何看HkMG對半導體工業(yè)的價(jià)值？

　　馬博：我認為HkMG晶體管的發(fā)明對半導體工業(yè)具有巨大價(jià)值。若沒(méi)有此項發(fā)明，按照摩爾定律，行業(yè)發(fā)展即使不會(huì )陷于停滯，發(fā)展速度也會(huì )大大降低?，F在我們正處在一個(gè)開(kāi)發(fā)新材料、新結構至關(guān)重要的時(shí)期，如同縮小物理尺寸一樣重要。

　　記者：HkMG縮小的是晶體管柵極絕緣層的厚度，而非投影面積。請問(wèn)HkMG對芯片集成度是否有直接的貢獻？

　　馬博：水平尺度主要是受光刻技術(shù)能力的制約。但是，HkMG技術(shù)的確能提供更好的性能和顯著(zhù)降低漏電流，這對于將更多的晶體管集成到芯片上是至關(guān)重要的?？梢哉f(shuō)是間接提高了集成度。

　　記者：隨著(zhù)線(xiàn)寬的縮小，工藝的生命周期也在不斷變短，請問(wèn)HkMG最終能夠有效支持的線(xiàn)寬是多少？

　　馬博：我們認為尺寸還可以縮小到35nm、25nm。至于進(jìn)一步超過(guò)這一水平，我想還需要新的發(fā)明。但HkMG至少有助于縮小45nm之后至少兩代的尺寸。

　　記者：之后呢？

　　馬博：我們的研究部門(mén)在繼續探索45nm之后可能出現的各種晶體管，例如薄膜晶體管，或者采用多種半導體相結合的晶體管。我們還沒(méi)有做出決定和對外宣布將采用何種新型晶體管。

　　光刻技術(shù)的變遷

　　記者：光刻技術(shù)應該是左右制造工藝升級換代的主要因素，據報道193nm浸沒(méi)式光刻技術(shù)能夠保證45nm和32nm制造技術(shù)的實(shí)現。請問(wèn)其繼任者157nm光刻技術(shù)能支持哪幾代工藝？

　　馬博：對于32nm技術(shù)，我們的確對關(guān)鍵層采用了193nm浸沒(méi)式光刻技術(shù)。浸沒(méi)式光刻技術(shù)在分辨率上有顯著(zhù)提高，盡管這種光刻技術(shù)價(jià)格更為昂貴。同時(shí)我們認為浸沒(méi)式光刻技術(shù)可以沿用到32nm之后的22nm。再往下，大家過(guò)去曾探索過(guò)157nm波長(cháng)，但由于與157nm波長(cháng)兼容的光源和透鏡實(shí)現起來(lái)十分困難，已被半導體行業(yè)所放棄。行業(yè)現在主要關(guān)注的是130nm極紫外(EUV)光刻技術(shù)，將其視作193nm浸沒(méi)式光刻技術(shù)最有可能的后繼技術(shù)。

　　記者：光源的波長(cháng)決定了光刻工藝，目前，45nm工藝使用的是波長(cháng)為193nm的準分子激光ArF。我們知道，目前科學(xué)儀器中分辨率最高或者說(shuō)波長(cháng)最短的是基于德布羅意波的電子顯微鏡等電子束儀器。請問(wèn)這類(lèi)電子束技術(shù)在未來(lái)光刻技術(shù)中的應用價(jià)值？

　　馬博：電子束光刻技術(shù)一直被認為是一種備選方案，因為它能實(shí)現非常小的外形尺寸，但電子束光刻技術(shù)的問(wèn)題是，它是一種非常慢的技術(shù)，也許不適合大規模制造，所以英特爾并不認為目前電子束是一種可用于制造工藝的現實(shí)選擇。

　　記者：2001年的諾貝爾物理獎頒給了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚方面的研究，而這種研究將使波長(cháng)極短的原子激光器成為可能，請問(wèn)未來(lái)原子激光器在光刻領(lǐng)域的應用前景？

　　馬博：我對這種技術(shù)并不十分熟悉，不過(guò)毫無(wú)疑問(wèn)，半導體行業(yè)對任何高強度、短波長(cháng)的光源都十分感興趣。波長(cháng)為130nm的EUV仍是下一步最有可能被采用的技術(shù)，在這之后我們還可能尋求更短的波長(cháng)。但我現在不能確定具體是何種技術(shù)。

　　記者：在過(guò)去的50年中，硅片上的引線(xiàn)線(xiàn)寬不斷變窄，但引線(xiàn)材料變化卻很小——只是從鋁升級到銅。請問(wèn)銅互連技術(shù)最終能支持的線(xiàn)寬是多少？而下一代的碳納米管引線(xiàn)技術(shù)能否用平面工藝實(shí)現？

　　馬博：顯然，銅引線(xiàn)材料仍然是一種十分實(shí)用的技術(shù)，我們相信它可以縮小到20nm。然而在如此微小的尺度下，引線(xiàn)的電阻率會(huì )急劇升高，所以我們的研究部門(mén)正在探索碳納米管等替代材料。不過(guò)目前碳納米管在技術(shù)上仍面臨著(zhù)兩大挑戰：其中之一是如何恰到好處地在襯底上的恰當位置形成碳納米管，以及制作碳納米管之間的連接電路，同時(shí)還要確保低電阻。盡管存在技術(shù)挑戰，但我們仍然開(kāi)展了積極的研究。

　　不應忽視的封裝與測試

　　記者：在SoC的趨勢下，當前，將邏輯電路與模擬電路、射頻電路集成在一起會(huì )有多大挑戰？

　　馬博：這是可以實(shí)現的，當然會(huì )出現一些問(wèn)題和復雜情況。但這樣做不一定最佳。我們應當始終牢記真正的目標，即：將所有功能集成到盡可能小的尺寸內。這不一定意味著(zhù)要將不同部件集成到同一個(gè)管芯上，兩個(gè)管芯并列或者堆疊起來(lái)的芯片或許尺寸同樣小，但卻更加易于制造。

　　記者：50年來(lái)平面工藝一直是集成電路的標準工藝，現在已經(jīng)有了堆疊式的立體封裝技術(shù)，請問(wèn)在前道上引入立體工藝有多大價(jià)值？

　　馬博：我個(gè)人對在工藝流程中將晶體管層堆疊起來(lái)持懷疑態(tài)度，因為向不同層面的晶體管提供電源是個(gè)十分復雜的問(wèn)題，而且還要在運行過(guò)程中實(shí)現不同層面晶體管的散熱。所以我個(gè)人認為這在最近的將來(lái)還不太可能出現。當然芯片的堆疊在封裝中已經(jīng)實(shí)現，并且我們將繼續采用這一技術(shù)。

　　記者：通常大家都很關(guān)注制造技術(shù)升級帶來(lái)的挑戰，卻容易忽視伴隨晶體管數量增加和芯片結構復雜化對測試技術(shù)帶來(lái)的嚴峻挑戰。你是如何看待這個(gè)問(wèn)題的？

　　馬博：的確，測試復雜的大規模處理器在技術(shù)上是一項困難的挑戰。不過(guò)我們解決該問(wèn)題的手段之一是在處理器芯片上安裝一些自測試電路。所以處理器可自行進(jìn)行內部測試，而無(wú)需完全依賴(lài)外部測試。所以這一困難是可以控制的。

　　記者：現在的芯片測試主要與頻率和溫度相關(guān)，即在給定的時(shí)鐘頻率和溫度范圍內測試芯片邏輯是否正常，但卻很難對芯片做基于時(shí)間的壓力測試。但是，隨著(zhù)線(xiàn)寬的進(jìn)一步變窄，在長(cháng)期高溫環(huán)境下，材料的缺陷和引線(xiàn)金屬原子的遷移引發(fā)的故障幾率將大大增加，那么，以往模擬芯片所關(guān)心的時(shí)間漂移問(wèn)題現象，是否會(huì )在邏輯芯片上出現？

　　馬博：這在理論上是可能的，但是我們在開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行了廣泛的長(cháng)期測試，使得我們開(kāi)發(fā)的技術(shù)可實(shí)現長(cháng)久的可靠性。我們只有在證明電路和工藝具備良好的長(cháng)期可靠性時(shí)，才會(huì )發(fā)售相關(guān)產(chǎn)品。

　　記者：在線(xiàn)寬越來(lái)越窄的情況下如何解決長(cháng)期可靠性的問(wèn)題？

　　馬博：在這種情況下，某些可靠性問(wèn)題的確不斷加劇。但我們借助新型材料，通過(guò)廣泛的測試，來(lái)確保更窄的線(xiàn)寬在預期的工作年限和電壓范圍內保持可靠性。

　　半導體市場(chǎng)門(mén)檻

　　記者：2002年底，英特爾當時(shí)的CTO基辛格在接受我采訪(fǎng)時(shí)表示，如果一個(gè)半導體廠(chǎng)商每年在應用技術(shù)上的投資不足10億美元，那么，它已經(jīng)跟不上摩爾定律的步伐了。事實(shí)上，當時(shí)只有英特爾、TSMC(臺積電)、三星、UMC(聯(lián)華電子)、IBM、ST(意法半導體)這6家廠(chǎng)商的投資超過(guò)10億美元。到了2005年，他又告訴我，這一門(mén)檻已經(jīng)提高到15億美元。請問(wèn)現在的門(mén)檻有多高？跟上摩爾定律的廠(chǎng)商數目是增加了還是減少了？

　　馬博：基辛格說(shuō)得對。跟上摩爾定律需要大量投資，而且投資門(mén)檻也提高了。我并不是英特爾的財務(wù)專(zhuān)家，所以無(wú)法斷言今天的市場(chǎng)進(jìn)入門(mén)檻究竟有多高，但的確價(jià)格不菲。而且我相信正是由于這樣高的門(mén)檻，更多的公司將在跟上摩爾定律的競爭中被淘汰。

　　記者：有沒(méi)有一個(gè)大概的數字？

　　馬博：這個(gè)問(wèn)題有點(diǎn)復雜，因為有些公司試圖組成聯(lián)盟。這或許是整合資源的一種合理模式。比如，IBM、AMD和三星在邏輯技術(shù)方面組成聯(lián)盟。這樣或許能整合多家公司的財力，以便跟上摩爾定律的步伐。我的觀(guān)點(diǎn)是，這一模式或許有助于解決資金緊張的問(wèn)題，但是如何使多家合作伙伴就怎樣開(kāi)發(fā)一項特定技術(shù)達成共識仍是一個(gè)復雜的問(wèn)題。因此，盡管他們或許能籌集足夠的投資，但要達成共識并著(zhù)手開(kāi)發(fā)工作，或許要花更長(cháng)的時(shí)間。因而公司聯(lián)盟是否能成為一種行之有效的模式，目前還難以斷言。

　　記者：作為全球最大的半導體廠(chǎng)商，英特爾工廠(chǎng)規模也應是最大的，能否透露一下英特爾現在有多少個(gè)Fab(工廠(chǎng))。但隨著(zhù)大直徑晶圓對產(chǎn)能的提升，以及Fab投資費用攀升帶來(lái)的壓力，英特爾 Fab數量會(huì )不會(huì )逐步減少，你認為，合理的數目應該是多少？

　　馬博：我沒(méi)有掌握相關(guān)數字，但我們不斷建立新的Fab，或者在某些情況下改造老的Fab以適應新技術(shù)。就我們的45nm工藝而言，我們有兩個(gè)生產(chǎn)芯片的大型Fab，一個(gè)在俄勒岡州，另一個(gè)在亞利桑那州。我們正在以色列建一個(gè)全新的Fab，這將成為第三個(gè)。第四個(gè)將落戶(hù)新墨西哥州，是由現有的90nm工藝升級到45nm工藝而成。到今年年底，我們將有四家工廠(chǎng)采用45nm技術(shù)。

　　記者：建設一個(gè)新的Fab，比如采用32nm技術(shù)，需要多長(cháng)時(shí)間？

　　馬博：這取決于多方面的因素。比如在一個(gè)原先沒(méi)有Fab的地點(diǎn)新建，花的時(shí)間要長(cháng)一些。還取決于當地承包商有多少建設經(jīng)驗。不過(guò)我想，位于亞利桑那州與其他兩個(gè)較老的Fab比鄰的Fab 32建設的過(guò)程非?？?，只是我不記得具體用了多長(cháng)時(shí)間。

　　芯片廠(chǎng)商的核心競爭力

　　記者：通常，軟件可以有多種實(shí)現方式，比如說(shuō)，6＝1＋5，也可以2＋4，或者3＋3。而半導體的制造就沒(méi)有那么幸運了，眾多的知識產(chǎn)權就像布滿(mǎn)地雷的地帶，其他廠(chǎng)商既無(wú)法繞行又很難穿行。除了生產(chǎn)設施上的財富較量之外，知識產(chǎn)權的壁壘作用是否也構成了半導體制造上的競爭力？

　　馬博：英特爾和包括一些競爭對手在內的許多公司簽訂了專(zhuān)利交叉許可協(xié)議，以確保我們都能正常開(kāi)展業(yè)務(wù)，而不是把大量的金錢(qián)都花在互相打官司上。所以交叉許可有助于最大限度地減少專(zhuān)利權爭議。不過(guò)也有些公司不愿或不能和我們進(jìn)行專(zhuān)利交叉許可，所以專(zhuān)利權問(wèn)題對它們或許構成了一種障礙。但是絕大部分公司都學(xué)會(huì )了如何規避這一問(wèn)題，因為大家都持有數量彼此相當的專(zhuān)利，那么最好的辦法也許是互相交換專(zhuān)利許可。

　　記者： 基辛格還表示，未來(lái)半導體的競爭將會(huì )是英特爾這樣對產(chǎn)品設計和制造過(guò)程同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化的商業(yè)模式和像TSMC那樣用標準的制造過(guò)程為不同公司制造不同產(chǎn)品的商業(yè)模式之間的比賽。在90nm引入上，Foundry(標準工藝制造商)和Fabless(無(wú)生產(chǎn)線(xiàn)芯片制造商)已經(jīng)落后于英特爾這樣的IDM(集成器件制造商)。經(jīng)過(guò)65nm，現在到了45nm，這兩種模式之間目前的差距有多大？

　　馬博：顯然，兩種模式差別顯著(zhù)。但我想這兩種模式是服務(wù)于不同市場(chǎng)和不同用途的。Foundry模式適于企業(yè)規模較小、產(chǎn)量不大、難以自行開(kāi)發(fā)工藝技術(shù)的公司。我想對于這些公司而言，這種模式是非常成功的。然而對于英特爾而言，由于我們產(chǎn)量高，開(kāi)發(fā)自己的工藝技術(shù)就顯得十分必要。而且這也給我們帶來(lái)了特定的優(yōu)勢，因為我們能夠更好地將工藝和產(chǎn)品設計相匹配，實(shí)現最優(yōu)化。這也使得英特爾能以比其他公司更快的步伐推出新產(chǎn)品。

　　記者：隨著(zhù)工藝技術(shù)的發(fā)展，兩種模式之間的差距是否越拉越遠？

　　馬博：我想英特爾在開(kāi)發(fā)任何技術(shù)節點(diǎn)方面已經(jīng)大幅度領(lǐng)先TSMC。不過(guò)他們仍是一家出色的公司。他們雄心勃勃，并且將繼續取得進(jìn)步。但我想他們不太可能在產(chǎn)品出貨量、縮小產(chǎn)品尺寸和類(lèi)似HkMG的技術(shù)創(chuàng )新方面趕上英特爾。

　　記者：隨著(zhù)制造工藝不斷變窄，可選的技術(shù)路徑是否會(huì )越來(lái)越少？

　　馬博：我想可以肯定的是，隨著(zhù)尺寸變小，好的解決方案會(huì )越來(lái)越少。半導體行業(yè)將會(huì )不約而同地采用少數幾種解決方案來(lái)實(shí)現先進(jìn)的技術(shù)。即使是在今天，對于65nm技術(shù)而言，我們和我們的主要競爭對手之間并不存在太大不同。我們都采用銅引線(xiàn)材料、低K絕緣材料，以及十分相似的晶體管結構。所以我想公司之間的不同之處會(huì )越來(lái)越少，不同的解決方案會(huì )越來(lái)越少。不過(guò)不可避免的是，少數優(yōu)勝者將會(huì )嶄露頭角。

　　摩爾定律與半導體路線(xiàn)圖

　　記者：在ITRS(國際半導體技術(shù)路線(xiàn)圖)最新公布的半導體工藝路線(xiàn)圖中，從45nm、32nm、22nm直到16nm，線(xiàn)寬每3年更新一次，而且45nm工藝是在2010年引入。為什么從引入的時(shí)間點(diǎn)和更新周期上都與英特爾以?xún)赡隇橹芷诘腡ick-Tock策略有很大的差異？

　　馬博：在1995年之前，英特爾和業(yè)內其他公司一樣，每三年推出新一代制造技術(shù)。但在1995年，隨著(zhù)我們的0.35μm技術(shù)的推出，英特爾開(kāi)始加快推出新技術(shù)的步伐。英特爾將兩代技術(shù)之間的周期縮短到兩年。并且我們將繼續每?jì)赡晖瞥鲂乱淮夹g(shù)。其他一些公司曾和英特爾一樣，實(shí)現了每?jì)赡晖瞥鲂录夹g(shù)的步伐，不過(guò)后來(lái)似乎又放慢步伐，回到每三年一代的周期。ITRS的路線(xiàn)圖反映了業(yè)界的某種共識，反映了其他公司的看法，但卻不一定反映英特爾的看法。

　　記者：半導體線(xiàn)寬的升級周期由摩爾定律來(lái)決定，但升級的幅度是誰(shuí)來(lái)決定的，比如說(shuō)未來(lái)從45nm升級到32nm，為什么不是35nm或者30nm呢？

　　馬博：我不得不率先承認，我們的45nm技術(shù)并非在任何維度上剛好都是45nm。在某些維度上尺寸更小，比如柵極的長(cháng)度僅為35nm，而在其他維度上則可能大于45nm。不過(guò)似乎英特爾和業(yè)界其他公司針對每一代技術(shù)采用了一套通用的命名法，所以我們都用90nm、65nm以及目前的45nm來(lái)表示各代技術(shù)。盡管如此，并非所有的公司都采用這種名義尺寸。所以可以說(shuō)，并非所有45nm都是相同的，某些公司的尺寸定義可能更為寬松。不過(guò)這套通用的命名法反映的是每一代大約比上一代減少0.7×的尺寸，只是常常選用整十或者整五的數字來(lái)近似地表示而已。

　　記者：我們能從ITRS公布的路線(xiàn)圖看的最遠的就是2022年的11nm工藝。請問(wèn)這是摩爾定律速度上的拐點(diǎn)，還是半導體工藝的極限？

　　馬博：或許我們能預見(jiàn)到未來(lái)兩代技術(shù)的情況，但如果再遠一些，就很難斷言何種技術(shù)是可以實(shí)現的。我希望今后幾年內我們能預見(jiàn)到11nm一代以及之后的情形，但目前來(lái)說(shuō)，如何才能實(shí)現11nm甚至更先進(jìn)的技術(shù)還很不明朗。

　　來(lái)自極限的挑戰

　　記者：你會(huì )如何回答“挑戰與機會(huì )：未來(lái)五十年的半導體技術(shù)”這個(gè)問(wèn)題？

　　馬博：挑戰之一是我們終將達到電子的尺度。問(wèn)題是我們是否仍將采用基于電子的電路，還是采用非基于電子的器件，例如自旋電子學(xué)，這是擺在我們面前的一個(gè)主要問(wèn)題。另一大挑戰是，當芯片集成了數十億個(gè)晶體管時(shí)，如何在功耗有限的情況下運行如此之多的晶體管。

　　記者：錢(qián)成不成問(wèn)題？

　　馬博：好的產(chǎn)品總能找到足夠的資金。

　　記者：量子效應、光刻技術(shù)、電子級硅材料純度、制造工藝一致性、超純試劑等都應該是影響摩爾定律的因素。請問(wèn)最終是哪個(gè)因素阻礙了半導體工藝的發(fā)展，還是說(shuō)上述諸多因素綜合影響的結果？

　　馬博：我不認為任何個(gè)別因素會(huì )單獨起制約作用。我認為是多種因素的結合將制約我們。

　　記者：哪個(gè)因素最重要？

　　馬博：這很難說(shuō)，因為我們目前還沒(méi)有達到極限。許多尺寸因素在十年前被認為是極限，但事實(shí)證明，我們已繞過(guò)了這些“極限”。最近例子之一便是柵極氧化物，二氧化硅達到了極限，但我們卻找到了替代物高k材料。

　　記者：我們知道知識產(chǎn)權對半導體廠(chǎng)商至關(guān)重要。量子計算和生物計算與半導體技術(shù)相去甚遠，那么，半導體產(chǎn)業(yè)投入巨大財力和智力積累的知識產(chǎn)權，豈不浪費了？

　　馬博：半導體的知識產(chǎn)權本來(lái)就是有一定時(shí)效性的，專(zhuān)利最終會(huì )過(guò)期失效。我想半導體技術(shù)和其他替代技術(shù)之間的過(guò)渡期會(huì )延續許多年，所以我一點(diǎn)也不覺(jué)得投資于半導體知識產(chǎn)權是一種浪費。將來(lái)半導體技術(shù)可能得到其他技術(shù)的強化，或者作為其他技術(shù)的補充，但我相信，半導體技術(shù)將始終是計算解決方案的一部分。