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存在50年的摩尔定律正在失灵?br新材料新技术为

2019-06-13 19:23

 

  1965年,英特尔联合创始人戈登-摩尔观察到,集成电中的元件集成度每12个月就能翻番。此外,确保每晶体管价格最低的单位芯片晶体管数量每12个月增长一倍。1965年,单位芯片50个晶体管可以带来最低的每晶体管成本。摩尔预计,到1970年,单位芯片可集成1000个元件,而每晶体管成本则将下降90%。

  在对数据进行提炼和简化之后,这一现象就被称作“摩尔定律”:单位芯片晶体管数量每12个月增长一倍。

  摩尔的观察并非基于任何科学或工程原理。这仅仅反映了行业发展趋势。然而,在随后的发展中,半导体行业并没有将摩尔定律当作描述性、预测性的观察,而是视为性、确定性的守则。整个行业必须实现摩尔定律预测的目标。

  然而,实现这一目标无法依靠侥幸。芯片开发是一个复杂过程,需要用到来自多家公司的机械、软件和原材料。为了确保所有厂商根据摩尔定律制定同样的时间表,整个行业遵循了共同的技术发展线图。由英特尔、AMD、台积电、GlobalFoundries和IBM等厂商组成的行业组织半导体协会从1992年开始发布这样的线年,半导体行业协会与全球其他地区的类似组织合作,成立了“国际半导体技术线图”组织。最近的一份线年发布。

  摩尔定律提出的预测早在很久之前就已出现过问题。1975年,摩尔本人更新了摩尔定律,将半导体行业的发展周期从12个月增加至24个月。在随后30年中,通过缩小芯片上元件的尺寸,芯片发展一直遵循着摩尔定律。

  然而进入21世纪后,很明显单纯依靠缩小尺寸的做法正穷途末。不过,通过其他一些技术,芯片的发展仍然符合摩尔定律的预测。在90纳米时代,应变硅技术问世。在45纳米时代,一种能提高晶体管电容的新材料推出。在22纳米时代,三栅极晶体管使芯片性能变得更强大。

  不过,这些新技术也已走到末。用于芯片制造的光刻技术正面临压力。目前,14纳米芯片在制造时使用的是193纳米波长光。光的波长较长导致制造工艺更复杂,成本更高。波长13.5纳米的远紫外光被认为是未来的希望,但适用于芯片制造的远紫外光技术目前仍需要攻克工程难题。

  即使远紫外光技术得到应用,目前也不清楚,芯片集成度能有多大的提高。如果缩小至2纳米,那么单个晶体管将只有10个原子大小,而如此小的晶体管可靠性很可能存在问题。即使这些问题得到解决,功耗也将继续造成困扰。随着晶体管的连接越来越紧密,芯片功耗将越来越大。

  应变硅和三栅极晶体管等新技术历经了10多年的研究才得到商用。远紫外光技术被探讨的时间更长。而成本因素也需要考虑。相应于摩尔定律,业界还有一个洛克定律。根据后一定律,芯片制造工厂的成本每4年就会翻番。新技术的发展可能将带来更高的芯片集成度,但制造这种芯片的工厂将付出高昂的造价。

  近期,这些因素给芯片公司造成了现实问题。英特尔原计划于2016年在Cannonlake处理器中改用10纳米工艺,这小于当前Skylake芯片采用的14纳米工艺。去年7月,英特尔调整了计划。根据新计划,英特尔将推出另一代处理器Kaby Lake,并沿用此前的14纳米工艺。Cannonlake和10纳米工艺仍在计划之中,但被推迟至2017年下半年发布。