后摩爾定律時(shí)代，半導(dǎo)體技術(shù)將走向何方?

IMEC研發(fā)的運(yùn)用實(shí)時(shí)ECG技術(shù)、重量只有10g的健康監(jiān)測(cè)貼片原型

“繼續(xù)向下推進(jìn)新的制程節(jié)點(diǎn)正變得越來(lái)越困難，我不知道它(摩爾定律)還能持續(xù)多久。” 在與IMEC首席執(zhí)行官Luc van den Hove的訪談中，戈登·摩爾如是說(shuō)。

作為世界領(lǐng)先的獨(dú)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(duì)摩爾定律的討論定為一個(gè)重要主題。

不能否認(rèn)的是，摩爾定律正在逐漸走向極限。業(yè)界對(duì)于未來(lái)技術(shù)如何發(fā)展，早已有了“More Moore”(繼續(xù)推進(jìn)摩爾定律)和“More than Moore”(超越摩爾定律)的討論。隨著兩條路的同時(shí)推進(jìn)，聽(tīng)一聽(tīng)I(yíng)MEC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。”戈登·摩爾表示。

摩爾定律在近50年來(lái)被奉為半導(dǎo)體業(yè)界的“金科玉律”。它是基于現(xiàn)實(shí)推測(cè)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(shù)目按照一定時(shí)間呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。其中，幾乎所有成本的降低，都來(lái)自于對(duì)晶體管尺寸的縮小和對(duì)晶圓直徑的增加。

不過(guò)，近年來(lái)，隨著硅的工藝發(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(rèn)為該定律即將終結(jié)。

摩爾本人也一直在修訂著自己的說(shuō)法。1965年第一次發(fā)布時(shí)，其預(yù)測(cè)是集成電路上的晶體管數(shù)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(rèn)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(xù)10年。

不過(guò)現(xiàn)實(shí)的情況是，成本問(wèn)題將使該定律提前遭遇天花板。“在集成電路領(lǐng)域，scaling曾幫助我們不斷實(shí)現(xiàn)更小、更快、更便宜、能耗更低的目標(biāo)。但現(xiàn)在，scaling已不再像過(guò)去一樣，同時(shí)提供上述所有好處。”Luc 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(duì)于一個(gè)商業(yè)公司領(lǐng)導(dǎo)人來(lái)說(shuō)，必須去做利潤(rùn)的考量。”英飛凌首席執(zhí)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(dǎo)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(jié)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(jié)點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)第一次反轉(zhuǎn)。

由于EUV技術(shù)的延遲實(shí)現(xiàn)，原本期待于22納米節(jié)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(shù)，導(dǎo)致芯片制造成本大幅度增加、工藝循環(huán)周期延長(zhǎng)。目前，16納米工藝成本已經(jīng)很高，如果繼續(xù)采取浸潤(rùn)式多重曝光微影制程技術(shù)，到10納米節(jié)點(diǎn)時(shí)，成本可能增加至1~1.5倍。

此外，隨著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(shè)備投入也越來(lái)越高，這些都是阻礙半導(dǎo)體發(fā)展按照摩爾定律前進(jìn)的挑戰(zhàn)。

“呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)一直是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的特征，它還將繼續(xù)下去。但是增長(zhǎng)率和前往下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的節(jié)奏可能放緩，逐漸向全球GDP增長(zhǎng)率看齊(2015年全球GDP增長(zhǎng)率約為2%)。”ASM公司首席技術(shù)官兼研發(fā)主管Ivo J. Raaijmakers表示。

如何繼續(xù)推進(jìn)摩爾定律?

“Scaling還會(huì)繼續(xù)，我不僅相信它將會(huì)繼續(xù)，而且我認(rèn)為它不得不繼續(xù)。”Luc van den Hove強(qiáng)調(diào)說(shuō)。他確信scaling還會(huì)持續(xù)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(rèn)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(xù)scaling，但是它將會(huì)有所不同，不再完全依照過(guò)去傳統(tǒng)的摩爾定律和Dennard scaling(單位面積晶體管數(shù)不斷增加而功耗保持不變)。”

其實(shí)，業(yè)界并不需要特別擔(dān)心。Mentor Graphics總裁兼首席執(zhí)行官WALDEN C.RHINES表示，“即使摩爾定律命中注定會(huì)結(jié)束，但還有學(xué)習(xí)曲線(learning curve)的存在。”

而此前，scaling也曾多次遇到過(guò)技術(shù)門(mén)檻，但隨著各種技術(shù)手段的投入保證了摩爾定律的持續(xù)作用，例如90納米時(shí)的應(yīng)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(xù)推進(jìn)技術(shù)發(fā)展，我們需要在“材料、制程、結(jié)構(gòu)”三個(gè)維度進(jìn)行創(chuàng)新。“IDM和Foundry廠商主要通過(guò)改變流水線(Pipeline)架構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性創(chuàng)新，設(shè)備和材料供應(yīng)商主要進(jìn)行材料和工藝創(chuàng)新。”

3D邏輯芯片

2D的scaling確實(shí)會(huì)越來(lái)越難，從現(xiàn)有的制程技術(shù)節(jié)點(diǎn)向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)推進(jìn)所需要的時(shí)間也將越來(lái)越長(zhǎng)。而向下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)展，可以采取一種全新的架構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)備技術(shù)方面，F(xiàn)inFET技術(shù)將過(guò)渡到水平納米線(Lateral Nanowire)，和垂直納米線(Vertical Nanowire)。以3D的方式構(gòu)建，將原有的硅片平面蝕刻技術(shù)轉(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元再進(jìn)行堆疊。”Luc van den Hove指出。

另一個(gè)可能的方法是異構(gòu)芯片堆疊，這樣其中的每個(gè)芯片都可以改善其負(fù)荷的工作量。結(jié)合硅穿孔技術(shù)和轉(zhuǎn)接板技術(shù)，你可以把處理器、存儲(chǔ)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(gòu)集成相結(jié)合，可以繼續(xù)scaling，一直推進(jìn)到3nm制程節(jié)點(diǎn)。”Luc van den Hove表示。

而在光刻技術(shù)方面，IMEC認(rèn)為，EUV是一個(gè)有成本效益的光刻解決方案。采用波長(zhǎng)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(yùn)用相應(yīng)的平坦化技術(shù)。” IMEC制程技術(shù)高級(jí)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(xiàn)有技術(shù)節(jié)約1.5天的時(shí)間，同時(shí)還可以保證更小的電子參數(shù)變量，實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的制程管控。

Gary Patton則認(rèn)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。“比如從鋁材料到銅材料到鈷材料，保證了向下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)前進(jìn)的可能性。”巴斯夫股份公司執(zhí)行董事會(huì)副主席兼首席技術(shù)官M(fèi)artin Rudermüller指出。在10納米以下的制程節(jié)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(xiàn)自下而上的用電化學(xué)沉積填補(bǔ)薄膜空隙。

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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(tǒng)優(yōu)化的角度來(lái)考慮，從而克服現(xiàn)有的技術(shù)挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的增值。”英飛凌首席執(zhí)行官Reinhard Ploss強(qiáng)調(diào)。“當(dāng)制程節(jié)點(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。”

他指出，如果僅僅只是強(qiáng)調(diào)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(dǎo)致研發(fā)經(jīng)費(fèi)呈指數(shù)級(jí)迅猛增長(zhǎng)。“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從集成電路進(jìn)化到了集成系統(tǒng)，未來(lái)系統(tǒng)集成還將繼續(xù)推進(jìn)。”

逐漸改善設(shè)備帶來(lái)的效果已經(jīng)降到了最低，而系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化仍然有很大的潛力。例如在數(shù)據(jù)中心這一應(yīng)用領(lǐng)域，過(guò)去我們?cè)ㄟ^(guò)設(shè)備優(yōu)化，節(jié)省了2%的能耗;目前我們通過(guò)改善電源，節(jié)省了8%的能耗;未來(lái)則有可能通過(guò)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心做優(yōu)化，節(jié)能25%的能耗。

除了目前使用的硅CMOS以外，新的技術(shù)和材料也存在著可能性，例如寬禁帶半導(dǎo)體材料及器件，都有著極大發(fā)展?jié)摿?，需求的增加和技術(shù)的進(jìn)步都將促進(jìn)它的到來(lái)。“引入GaN(氮化鎵)可以顯著減少功耗并實(shí)現(xiàn)功率密度的飛躍，而SiC(碳化硅)和GaN都可以幫助實(shí)現(xiàn)高性能等。”Reinhard Ploss表示。

當(dāng)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(jì)算和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等。在神經(jīng)計(jì)算方面，IMEC正在從硬件領(lǐng)域模仿大腦內(nèi)部的連接構(gòu)造，根據(jù)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(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域變革也許是超越摩爾定律的一個(gè)戰(zhàn)略思路，例如自動(dòng)駕駛、IoT、云數(shù)據(jù)中心都將是未來(lái)IC將出現(xiàn)爆發(fā)級(jí)增長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。這些應(yīng)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(jù)汽車生產(chǎn)成本的約30%，到2020年將可能達(dá)到約35%，到2030年將可能達(dá)到約50%。”奧迪汽車電子和半導(dǎo)體技術(shù)中心主管兼漸進(jìn)式半導(dǎo)體計(jì)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(zhǎng)的車內(nèi)、車外、車輛間的數(shù)據(jù)流量。

IoT也將向著更加智能化的節(jié)點(diǎn)演進(jìn)。亞德諾半導(dǎo)體(Analog Devices)高級(jí)副總裁兼首席技術(shù)官Peter Real指出，這包括在節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(fèi)，讓反應(yīng)性的物聯(lián)網(wǎng)成為預(yù)測(cè)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(tǒng)性綜合，而不是硬件對(duì)軟件。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用目前面對(duì)著現(xiàn)實(shí)技術(shù)還不成熟的現(xiàn)實(shí)，芯片級(jí)傳感器(chip scale sensors)、能量采集、超低功耗技術(shù)、制程、封裝等都還存在著技術(shù)挑戰(zhàn)。”Peter Real表示。

他認(rèn)為，很多應(yīng)用將需要在單一信號(hào)鏈中的不同節(jié)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(tǒng)架構(gòu)將變得至關(guān)重要，要慎重地決定在什么位置放置存儲(chǔ)、處理器、算法和硬件加速器等;而根據(jù)工業(yè)、健康、汽車等應(yīng)用領(lǐng)域的不同，系統(tǒng)的架構(gòu)也會(huì)相當(dāng)不同。

精確醫(yī)療也將是一個(gè)未來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)可以發(fā)揮作用的重要領(lǐng)域。“DNA測(cè)序已經(jīng)趕超了摩爾定律的速度，”Luc van den Hove指出。DNA測(cè)序是精確醫(yī)療的關(guān)鍵因素，但往往需要高達(dá)百萬(wàn)元甚至千萬(wàn)元級(jí)的成本費(fèi)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(cè)序的成本降低一半。