臺(tái)積電再次取得重大突破：1nm以下制程繼續(xù)挑戰(zhàn)摩爾定律極限

在信息技術(shù)發(fā)展浪潮中，浪潮涌起的高度的衡量一度成為業(yè)界的“心患”。換句話說，如何估量信息技術(shù)進(jìn)步的速度成了困擾業(yè)內(nèi)人士許久的難題。籍此背景之下，英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾通過大量數(shù)據(jù)調(diào)研整理，于1965年，正式提出“摩爾定律”。迄今為止，此定律已歷經(jīng)了半世紀(jì)風(fēng)雨，對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，更是產(chǎn)生了不可磨滅的作用。

摩爾預(yù)言，半導(dǎo)體芯片中集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍。隨后不久，摩爾另外撰寫論文聲明，將“每年增加一倍”修改為“每兩年增加一倍”。詳細(xì)地說，摩爾定律即為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，半導(dǎo)體芯片中可容納的元器件數(shù)目，約兩年便會(huì)增加一倍，其性能也將同比提升。

當(dāng)然，通過后來數(shù)十年的數(shù)據(jù)證明，半導(dǎo)體芯片中可容納的元器件數(shù)目，約18個(gè)月便將增加一倍(即摩爾前后預(yù)測的平均值)。對(duì)于此，摩爾表示，他并未提過“每18個(gè)月增加一倍”推論，而且根據(jù)其數(shù)據(jù)圖顯示，這個(gè)變化周期便是24個(gè)月。

摩爾定律為芯片制程的提升帶來了基本準(zhǔn)則，這么多年來所有代工廠幾乎都無法脫離它的核心思想，包括全球第一的臺(tái)積電，也是在摩爾定律的推動(dòng)下，才慢慢達(dá)到如今的高度。但隨著芯片先進(jìn)程度的不斷提高，到了5nm時(shí)代，摩爾定律似乎要失效了。

目前能夠量產(chǎn)5nm芯片的代工廠只有兩家，除了臺(tái)積電之外就是三星，二者的工藝技術(shù)不存在太大的差距。但更為先進(jìn)的3nm芯片，對(duì)于它們而言卻是一個(gè)不容忽視的難題，因?yàn)?nm制程還沒有完全成熟，要想實(shí)現(xiàn)3nm的量產(chǎn)可能需要很長的時(shí)間。

而一旦這個(gè)時(shí)間不符合摩爾定律的預(yù)期，就說明該定律即將失效，3nm尚且如此，更何況后面的2nm和1nm芯片呢?所以說，在芯片工藝持續(xù)進(jìn)步之后，摩爾定律也許會(huì)迎來極限，到時(shí)候各大代工廠的技術(shù)提升就會(huì)變得非常緩慢。

其實(shí)，半導(dǎo)體芯片單位面積可集成的元件數(shù)量最終將達(dá)到多少這個(gè)問題并沒有明確的答案，但據(jù)專家預(yù)測，半導(dǎo)體芯片制程工藝的物理極限為2-3nm，以此推算，摩爾定律似乎也只能“存活”10年之久。

IBM剛官宣2nm研發(fā)不久，臺(tái)積電現(xiàn)已取得1nm以下制程重大突破!近日，臺(tái)積電、臺(tái)大與MIT攜手研發(fā)出半導(dǎo)體新材料「鉍(Bi)」，能大幅降低電阻并提高傳輸電流，有助于未來突破「摩爾定律」極限。

近日，臺(tái)積電聯(lián)合臺(tái)大與美國麻省理工學(xué)院(MIT)官方宣布，在 1nm 以下芯片制程方面取得重大突破。研究發(fā)現(xiàn)，二維材料結(jié)合“半金屬鉍(Bi)”能大幅降低電阻并提高傳輸電流，實(shí)現(xiàn)接近量子極限的能效，解決了長期以來二維材料高電阻及低電流等問題，有助實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體1nm以下制程挑戰(zhàn)。

該項(xiàng)研究成果，由臺(tái)大電機(jī)系暨光電所教授吳志毅與臺(tái)灣積體電路以及MIT研究團(tuán)隊(duì)共同完成，自2019年開始已經(jīng)持續(xù)了長達(dá)1年多的三方跨國合作，如今終于取得了突破性的研究成果。吳志毅教授表示，在使用鉍(Bi)作為接觸電極的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)后，二維材料晶體管的效能不但與硅基半導(dǎo)體相當(dāng)，還有潛力與目前主流的硅基制程技術(shù)相容，有助于未來突破摩爾定律極限。

隨著晶圓單位面積能容納的晶體管數(shù)目逐漸逼近主流硅基材料的物理極限，晶體管效能再也無法逐年顯著提升。近年來，科學(xué)界也在積極地尋找能取代硅的二維材料，而此次的發(fā)現(xiàn)，無疑給芯片制程技術(shù)發(fā)展打了一劑強(qiáng)心針。、

目前市面上主流的芯片大都以7nm工藝為主，在芯片競爭這一塊也進(jìn)入了白熱化。臺(tái)積電在去年已經(jīng)公布消息稱實(shí)現(xiàn)7nm工藝生產(chǎn)，現(xiàn)如今，IBM、NVIDIA以及高通都相繼加入這個(gè)陣營。

對(duì)于芯片領(lǐng)域而言，掌握核心科技才是硬道理。從芯片發(fā)展的藍(lán)圖上看，臺(tái)積電在去年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)7nm工藝的量產(chǎn)，預(yù)計(jì)今年實(shí)現(xiàn)7nm EUV量產(chǎn)，其中華為麒麟985和蘋果A13處理器將會(huì)首批嘗鮮7nm系列工藝設(shè)備。根據(jù)臺(tái)積電給出的時(shí)刻表可知，其預(yù)計(jì)明年進(jìn)入5nm設(shè)計(jì)，2021進(jìn)入3nm設(shè)計(jì)，最終會(huì)在2022年實(shí)現(xiàn)3nm工藝的量產(chǎn)。

其實(shí)早在去年臺(tái)積電就已經(jīng)啟動(dòng)3nm晶圓廠的籌備工作，今天臺(tái)灣環(huán)保部門正式通過臺(tái)積電3nm晶圓廠的專案初審，同意用地的申請，3nm晶圓廠最終會(huì)在新竹園區(qū)生根發(fā)芽。整個(gè)項(xiàng)目初步預(yù)算投入4000億資金，折合人民幣約為879億人民幣，這足以看出臺(tái)積電要攻克3nm制程的決心。

而3nm被公認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到摩爾定律的物理極限。摩爾定律問世已有40余年，早在20世紀(jì)60年代初期，一根晶體管要價(jià)高達(dá)10美元，隨著科技技術(shù)的突破，晶體管也越來越小。但是萬物都是有極限的，芯片也不例外。一旦芯片的線條寬度達(dá)到納米(10^-9米)數(shù)量級(jí)時(shí)，就會(huì)引發(fā)一系列高熱效應(yīng)。

臺(tái)積電技術(shù)研究部門則將「鉍(Bi)沉積制程」進(jìn)行優(yōu)化，最后臺(tái)大團(tuán)隊(duì)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，終于獲得突破性的研究成果。吳志毅教授說明，在使用「鉍(Bi)」為「接觸電極」的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)后，二維材料電晶體的效能，不但與「硅基半導(dǎo)體」相當(dāng)，又有潛力與目前主流的硅基制程技術(shù)相容，有助于未來突破「摩爾定律」極限。研究成果能替下世代晶片，提供省電、高速等絕佳條件，未來可望投入人工智能、電動(dòng)車、疾病預(yù)測等新興科技應(yīng)用。

迄今為止，摩爾定律“問世”已然五十載有余，在半導(dǎo)體芯片制程工藝水平飛速提升的同時(shí)，人們不禁有些疑問，半導(dǎo)體芯片單位面積可集成的元件數(shù)量最終將達(dá)到多少?摩爾定律會(huì)一直存在下去嗎?對(duì)此，大家怎么看呢?