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近幾年，“摩爾定律面臨失效危機(jī)”的聲音不絕于耳。根本原因在于隨著芯片設(shè)計(jì)及工藝越來越小，芯片制造工藝不斷接近物理極限和工程極限，芯片性能提升也逐步放緩，且成本不斷上升。然而，近日，芯片代工龍頭臺(tái)積電宣布開始開發(fā)1.4納米工藝之后，引發(fā)了業(yè)界對(duì)先進(jìn)芯片工藝技術(shù)的質(zhì)疑。從另外一個(gè)層面來看，這在一定程度上也是臺(tái)積電對(duì)三星宣稱在2025年量產(chǎn)2納米工藝技術(shù)的回應(yīng)。

面對(duì)業(yè)界的質(zhì)疑聲，目前以臺(tái)積電、三星等為代表的芯片代工廠商似乎仍在努力突破極限，為摩爾定律“續(xù)命”。預(yù)計(jì)，相對(duì)IBM以通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2納米試產(chǎn)，臺(tái)積電的1.4納米工藝技術(shù)預(yù)計(jì)還將利用聯(lián)合臺(tái)大、麻省理工共同研發(fā)出的一種新型半導(dǎo)體材料——半金屬鉍，以采用新材料的方法改進(jìn)互聯(lián)接觸點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)先進(jìn)芯片工藝技術(shù)的突破。那么，隨著技術(shù)工藝無限接近硅晶體管的物理極限，未來芯片的發(fā)展極限是什么呢?

GAA成跨越3納米最佳工藝選項(xiàng)

當(dāng)前，以5G、AI、元宇宙等為代表的新興科技產(chǎn)業(yè)快速崛起，對(duì)低功耗、小尺寸、異質(zhì)整合及超高運(yùn)算速度的芯片架構(gòu)技術(shù)提出了更高的要求，也成為芯片巨頭決勝的重要手段。然而，剛剛跨過5納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)，臺(tái)積電、三星、英特爾又在3納米及以下展開了新的先進(jìn)工藝競(jìng)賽。

實(shí)際上，自英特爾于2012年在22納米芯片引入創(chuàng)新立體架構(gòu)的“鰭式晶體管”(FinFET)之后，全球半導(dǎo)體業(yè)者都在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)更先進(jìn)的芯片。目前最先進(jìn)的5納米工藝也是采用FinFET 架構(gòu)來制作。而臺(tái)積電在FinFET 技術(shù)架構(gòu)上拔得頭籌，于2020年成功投入量產(chǎn)。不過，隨著技術(shù)工藝微縮至3納米時(shí)，F(xiàn)inFET從架構(gòu)上已很難滿足要求，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生電流控制漏電的物理極限問題。

那么，進(jìn)入3納米及以下工藝，要用什么新工藝?yán)^續(xù)提升晶體管密度呢?答案就是繼續(xù)“立體化”。簡(jiǎn)單來說：如果能將晶體管像積木一樣堆疊起來，那么就能有效減少電路的占位面積，那么晶體管的密度或許就能翻倍。新的工藝——GAA工藝(Gate-All-Around，全環(huán)繞柵極晶體管)就是沿著這個(gè)思路而誕生的。

盡管臺(tái)積電也曾表示，3nm芯片量產(chǎn)時(shí)間為今年下半年，并且鑒于成本和新工藝磨合問題，將繼續(xù)采用FinFET工藝，但從原理上來說，要想基于硅基芯片在單位面積的芯片上放下更多的晶體管，以3納米工藝為節(jié)點(diǎn)，基本上是要放棄FinFET架構(gòu)，需要采用新的GAA工藝挑戰(zhàn)摩爾定律極限。何況此次臺(tái)積電又目標(biāo)指向1.4納米工藝技術(shù)。

這里順便介紹一下GAA工藝。我們可以把GAA工藝?yán)斫獬赡壳癋inFET的升級(jí)版，其相關(guān)的想法最早在1988年被提出。這項(xiàng)技術(shù)允許設(shè)計(jì)者通過調(diào)整晶體管通道的寬度來精確控制性能和功耗，而較寬的材料便于在大功率下獲得更高的性能;而較薄的材料可以降低功耗。GAA在從構(gòu)造上主要有兩種形態(tài)，都可以實(shí)現(xiàn)3nm，取決于具體設(shè)計(jì)：一是環(huán)繞式閘極場(chǎng)效晶體管(Gate-All-Around FET ;GAAFET )，采用三層納米線來構(gòu)造晶體管(nanowire)，柵極比較薄;二是三星已經(jīng)采用的MBCFET(Multi-Bridge-Channel)晶體管結(jié)構(gòu)(多橋溝道場(chǎng)效應(yīng)管)，其使用納米片構(gòu)造晶體管，將原有FinFET工藝中鰭狀改良成多路橋接鰭片，截面為水平板狀或者水平橢圓柱狀。據(jù)悉，三星已經(jīng)為MBCFET注冊(cè)了商標(biāo)。

根據(jù)國(guó)際器件和系統(tǒng)路線圖(IRDS)規(guī)劃，在2021-2022年以后，F(xiàn)inFET結(jié)構(gòu)將逐步被GAAFET結(jié)構(gòu)所取代。該架構(gòu)即通過更大的閘極接觸面積提升對(duì)電晶體導(dǎo)電通道的控制能力，從而降低操作電壓、減少疏漏電流，有效降低芯片運(yùn)算功耗與操作溫度。相對(duì)而言，GAAFET技術(shù)將溝道四側(cè)全部包裹，F(xiàn)inFET的柵極僅包裹溝道三側(cè)。

據(jù)悉，GAAFET 的芯片架構(gòu)相比于FinFET，能以更小的體積實(shí)現(xiàn)更好的功耗表現(xiàn)，實(shí)際可縮減45%芯片面積、同時(shí)降低50%的能耗。至于1.4納米工藝技術(shù)，臺(tái)積電必然也會(huì)采用GAAFET 架構(gòu)，并藉由導(dǎo)入低維度高電子遷移率材料以及特殊絕緣層材料等，來強(qiáng)化其在先進(jìn)工藝的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。GAAFET架構(gòu)儼然已成為下一世代延續(xù)摩爾定律的最佳選項(xiàng)。

臺(tái)積電的“半金屬鉍”方案

有人認(rèn)為，摩爾定律的核心是物理極限、散熱和成本。

大家都知道，摩爾定律并不是一條科學(xué)法則，把硅片上的晶體管越做越小是會(huì)遇到物理極限的。然而，這個(gè)極限尺寸具體是多少，產(chǎn)業(yè)界其實(shí)也一直在摸索。盡管GAA立體晶體管結(jié)構(gòu)可為摩爾定律續(xù)命，但遲早有一天不斷微縮的晶體管將逼近物理極限，特別是晶體管的特征尺寸——柵極寬度已經(jīng)小到真的很難控制了。目前來看，無論是結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，還是新材料的引入，2納米都將是一個(gè)非常關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)。然而，臺(tái)積電提出開發(fā)1.4納米工藝，似乎在進(jìn)一步挑戰(zhàn)這個(gè)物理極限。

當(dāng)然，除了物理極限的問題，我們還要考慮散熱的問題。我們想象一下，上百億的晶體管集成在一個(gè)極度狹小的空間里，任何電流經(jīng)過都不可避免地帶來熱量。如果我們不斷提升晶體管的數(shù)量，那么熱量的問題就變得更加棘手。目前芯片的熱量主要來自兩個(gè)方面：一是晶體管本身工作時(shí)帶來的熱量;二是金屬互聯(lián)層帶來的熱量。為此，產(chǎn)業(yè)界在尋找各種性能更佳、可替代硅晶體管的材料同時(shí)，還需尋找現(xiàn)有金屬互聯(lián)層的替代材料，包括阻擋層、接觸點(diǎn)材料等。

而臺(tái)積電預(yù)計(jì)將利用一種新型半導(dǎo)體材料——半金屬鉍，來實(shí)現(xiàn)1.4納米這個(gè)新的極限尺寸，以及解決金屬互聯(lián)的散熱問題。2021年5月，麻省理工學(xué)院(MIT)的孔靜教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)探索了一個(gè)新的方向：使用原子級(jí)薄材料鉍(Bi)代替硅，有效地將這些2D材料連接到其他芯片元件上。隨后，臺(tái)積電技術(shù)研究部門將鉍(Bi)沉積工藝進(jìn)行優(yōu)化，臺(tái)灣大學(xué)團(tuán)隊(duì)則運(yùn)用氦離子束微影系統(tǒng)將元件通道成功縮小至納米尺寸，最終這項(xiàng)研究成果獲得了突破性的進(jìn)展。這種材料被作為二維材料的接觸電極，可以大幅度降低電阻并且提升電流，從而使其能效和硅一樣，為未來實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體1nm工藝指明了新的發(fā)展方向。

當(dāng)然，芯片工藝每一步的突破都是非常艱難的。盡管臺(tái)積電在1.4納米這個(gè)極限尺寸上已經(jīng)有了結(jié)構(gòu)和材料上的支撐，將解決二維材料高電阻、低電流等問題，但要真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，預(yù)計(jì)遇到的困難要比想象的更多，比如制造2納米工藝還需要光刻機(jī)等設(shè)備支撐。

不過，除了物理極限、散熱的問題，我們也需考慮研發(fā)的成本與代價(jià)的問題。也正如上文所有闡述，我們都只盯著工藝節(jié)點(diǎn)的尺寸和方案的可行性，卻忽略了成本的問題。然而，根據(jù)完整的摩爾定律定義，集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個(gè)月便會(huì)增加一倍，同時(shí)成本不明顯增加。

隨著新的工藝研發(fā)和生產(chǎn)投入越來越大，提高新工藝的性能越來越不具性價(jià)比，甚至新的產(chǎn)品研發(fā)工藝實(shí)現(xiàn)成本之高，已經(jīng)到了任何一個(gè)10億級(jí)用戶以下的市場(chǎng)都消化不了的階段。正如有人評(píng)價(jià)，“半導(dǎo)體工藝達(dá)到5納米時(shí)，其實(shí)已經(jīng)接近硅基材料的極限，再更進(jìn)一步到達(dá)3納米及以下，投入的研發(fā)代價(jià)將非常巨大。生產(chǎn)出來的芯片，還是否具備市場(chǎng)推廣價(jià)值都很值得懷疑。按照現(xiàn)在的形勢(shì)發(fā)展下去，1納米大概夢(mèng)里才有!”

據(jù)悉，一條7納米晶圓廠生產(chǎn)線,不算很復(fù)雜的話,其投資總金額超過100億美元。那么，5納米，3納米，2納米呢? 如果不考慮成本因素，摩爾定律似乎依然還可以沿著既有的軌道運(yùn)行，但是如果加入成本的考量，摩爾定律就不是何時(shí)終結(jié)的問題，而是早已終結(jié)了很多年。因此，只有存在一個(gè)足夠大到能養(yǎng)活先進(jìn)工藝芯片的市場(chǎng)，才是這場(chǎng)半導(dǎo)體先進(jìn)工藝爭(zhēng)奪戰(zhàn)的根本意義所在。

未來芯片發(fā)展的“曙光”

如果要說未來芯片發(fā)展方向是什么?答案有兩個(gè)：一是改進(jìn);二是創(chuàng)新。

首先談一下改進(jìn)的問題。目前改進(jìn)的大方向有三個(gè)：工藝技術(shù)的提升、研發(fā)新架構(gòu)、先進(jìn)封裝技術(shù)。整體來看，基于硅基的工藝技術(shù)的提升以及研發(fā)新架構(gòu)、先進(jìn)封裝技術(shù)對(duì)提高芯片的性能的空間已不大，而且要實(shí)現(xiàn)真正量產(chǎn)還需要從器件架構(gòu)、工藝技術(shù)、設(shè)備與材料等方面綜合解決。

同時(shí)，未來對(duì)芯片的算力要求必定會(huì)越來越高，而通過改進(jìn)的方式提高芯片性能的方法肯定也有“算力不從心”的時(shí)候。想要芯片計(jì)算能力有突破性的進(jìn)展，改進(jìn)是不夠的，只有創(chuàng)新。而目前看來，兩個(gè)創(chuàng)新的方向是比較有希望的：碳基芯片和量子芯片。

先談一下碳基芯片。當(dāng)硅基芯片突破1納米之后，量子隧穿效應(yīng)將使得“電子失控”，芯片失效(確切地說，5納米甚至7納米，就已經(jīng)存在量子隧穿效應(yīng))。這種情況下，替換芯片的硅基底，也許是芯片進(jìn)一步發(fā)展的可行出路之一。除了美國(guó)之外，一些國(guó)家提出利用拓?fù)浣^緣體、二維超導(dǎo)材料，也有國(guó)家提出采用化合物半導(dǎo)體，比如氮化鎵，而中國(guó)似乎更看重碳基芯片。

目前，科學(xué)界普遍認(rèn)為碳納米管自身的材料性能遠(yuǎn)優(yōu)于硅材料，而碳管晶體管的理論極限運(yùn)行速度可比硅晶體管快5～10倍，而功耗卻降低到其1/10。同時(shí)，基于碳納米管的碳基電子技術(shù)歷經(jīng)二十余年發(fā)展，在材料制備、器件和晶體管制備等基礎(chǔ)性問題中也已經(jīng)取得了根本性突破，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程從原理上看已經(jīng)沒有不可逾越的障礙。

早在2013年，美國(guó)斯坦福大學(xué)就制造出了第一臺(tái)碳納米管計(jì)算機(jī);而到了2019年8月，美國(guó)麻省理工學(xué)院發(fā)布了全球第一款碳納米管通用計(jì)算芯片，里面包含14000個(gè)晶體管。《自然》雜志當(dāng)時(shí)連發(fā)三篇文章推薦這項(xiàng)成果，可見當(dāng)時(shí)的轟動(dòng)性。不過，相對(duì)手機(jī)芯片動(dòng)輒上百億個(gè)晶體管的規(guī)模，14000個(gè)碳晶體管還是差得很遠(yuǎn)。目前，碳基芯片性能確實(shí)超越了同規(guī)格的硅基芯片，但制作工藝還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如硅基芯片成熟，即制造出高純度、高密度、排列整齊的碳納米管陣列。

在這里，我們要特別提一下北京大學(xué)彭練矛院士和張志勇教授團(tuán)隊(duì)的科研成果——純度大于99.9999%的8英寸半導(dǎo)體碳納米管晶圓材料、碳基CMOS邏輯電路芯片、柔性碳基芯片。這可能是最接近實(shí)用化的關(guān)于碳基芯片的研究。因此，盡管碳基芯片商用還有一段距離，但碳基芯片的未來確實(shí)很值得期待。

除了碳基芯片之外，量子芯片也值得關(guān)注。我們可以想象一下，在未來更高算力要求下，即使傳統(tǒng)的電子芯片集成精度小到原子尺寸，即逼近經(jīng)典宏觀物理的臨界點(diǎn)，也無法滿足實(shí)際需求之后，那該做怎樣的選擇?那必然是從微觀世界的角度去尋求突破。在“后摩爾時(shí)代”，不少科學(xué)家將寄希望于量子計(jì)算。

量子芯片突破了經(jīng)典集成電路基于二值邏輯的運(yùn)算規(guī)則，轉(zhuǎn)而采用量子位，其集成有大量的量子邏輯單元，可以執(zhí)行量子信息處理過程，在諸如量子化學(xué)模擬、量子人工智能等諸多領(lǐng)域具有巨大的潛力，有望突破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算力極限。但是量子計(jì)算機(jī)仍處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，而且對(duì)環(huán)境要求極為苛刻，距離真正的商用，也還有很長(zhǎng)的一段路要走。

因此，目前來看，碳基芯片更有可能成為摩爾定律失效后芯片計(jì)算力的突破口，也將成為未來芯片發(fā)展的新曙光。我們也可以這樣理解，“摩爾時(shí)代的結(jié)束，也將是一個(gè)新時(shí)代的開始。”