摩尔定律驱动的产业——芯片工艺技术发展趋势

      随着移动互联网的发展，网络对路由器处理带宽的要求越来越高。现在路由器单芯片的处理能力已达到100Gbps，更高速的路由器处理芯片正在研发中。这高速发展的背后是芯片设计和制造技术的飞速发展。从早期的大哥大电话到现在精致的智能手机，从PC、笔记本电脑到平板电脑，计算/移动终端越来越便携，功能越来越强大。同时，在另一端的数据中心，服务器的处理能力和存储能力都得到了飞速增长。这些都与芯片工艺技术的发展密不可分。

摩尔定律

    众所周知，摩尔定律（Moore’s Law）准确预测了芯片工艺技术呈指数级飞速增长的发展规律。这在过去的几十年中都得以验证。1947年贝尔实验室发明第一只半导体晶体管，开启了半导体产业，我们看到的是小巧的半导体收音机替代庞大的真空管收音机。到1958年集成电路（Integrated Circuit，又称芯片）的发明，把原来分立的晶体管、电阻和电容用金属连线连成一个完整的电路放到芯片上。集成电路开始了飞速发展的轨迹。1965年，时任仙童半导体（Fairchild Semiconductor）研发主管的Gordon Moore预测今后10年芯片技术的发展，称1965年的一个芯片可以集成60个器件，到1975年将集成6万个器件。Moore自己也承认当时这个预测过于夸大，只是想告诉大家把很多器件集成到一个芯片上会比用分立器件搭出来的电路经济得多。没有想到这个预测是这么准确，与电子工业近50年的发展如此吻合，如今一个芯片上能集成几十亿个晶体管。图1中列出了Moore在1975年对预测的修正，从早期的每年晶体管数翻番到1980年后的每2年翻番。图中还列出了存储器和微处理器两类产品的集成度的发展轨迹，存储器比微处理器的集成度要高是因为其更规整。

  图1 芯片中晶体管数目的增长趋势（源自Moore在ISSCC2003的演讲稿）

工艺尺寸的演进

    无论是一年还是两年晶体管数翻番，这一指数级而不是线性增长的规律是常人难以理解的。即使现在我们还是有疑问：这一发展趋势能持续吗，或者说能维持多久？能在一个芯片上集成多少晶体管，取决于晶体管能做到多小，芯片可以做到多大。尽管芯片的尺寸是越做越大，但受物理空间以及单位面积缺陷的限制，现在的芯片做到四五百平方毫米，芯片的良率就很难上去。所以重点是怎样把晶体管做小。 芯片工艺的先进性一般用最小工艺尺寸来衡量。从90年代的微米工艺，到2000年的亚微米（0.18微米），到现在的纳米（22nm）工艺，最小工艺尺寸5~6年缩小一半。考虑到单位面积的晶体管数是最小工艺尺寸的平方关系，实际的工艺每一代的步进是以最小尺寸缩小0.7，这样相应地单位面积上的晶体管数翻番。若以我们的头发来衡量，头发的直径是100微米左右，22nm尺寸就是头发直径的约四千分之一。芯片工艺技术走的是一个指数级快速发展的轨迹，这个发展的趋势还能维持下去吗？根据最近透露的 Intel工艺路线图，Intel在2013年将开发14nm，2015年进入到10nm，在2017年工艺技术达到7nm。至少近期这一趋势还会保持。

关键工艺技术的发展

    随着工艺尺寸的缩小，单位面积集成的晶体管数增加，相应地，单位面积的功耗增加。降低功耗最直接的方法是降低工作电压。芯片的工作电压已经从70年代的12V降到现在的1V。即使这样，现今高性能处理器的功耗还是达到几百瓦。另一方面，当工艺尺寸进入纳米级，由漏电流引起的静态功耗也是不可忽略的部分，而且这部分功耗是随工艺尺寸的减小呈指数级增加。为减少静态功耗，新的材料和工艺技术的研究必不可少，如高K金属栅、3-D三栅极晶体管等技术的研究。传统的二氧化硅栅极介电质的工艺技术，在45nm工艺漏电流问题严重。Intel提出的高K（High-K）栅电介质加金属栅（Metal Gate）电极叠层技术与传统工艺相比可使漏电功耗成10倍地降低。在32nm工艺节点，第二代高K金属栅技术再使漏电流降低5倍以上。2011年5月Intel在22nm工艺节点又提出了3D三栅极晶体管制造技术。这一3D结构改变了50多年来的传统平面技术，使晶体管生长在衬底上，沟道的三面都有一个栅极，用于更好地控制电流。这一结构不仅大大提高了晶体管的集成密度，也极大地降低了漏电流。这种晶体管可以工作在更低的电压，从而进一步降低功耗，在提供同等性能的同时功耗可以降低一半。未来的关键工艺技术研究在不断地减小晶体管尺寸的同时，还要继续增强晶体管的性能以及可扩展性的片上连接技术。 III-V族复合物、高K锗、高密度内存、计算光刻、原材料合成、片上超长距离的连接技术（碳纳米 CNT和光连接）等都是半导体工艺技术未来关注的重点。

芯片设计技术

    在芯片上把这么多的晶体管组合成我们需要的器件或系统，是极富挑战性的。随着芯片规模越来越大，系统复杂性越来越高，设计开发周期不变，甚至还要缩短的情况下，必须提高设计生产率，有效地开发出复杂的芯片或片上系统（System on Chip）。为适应这样的发展需求，设计方法也在不断地演进：从晶体管级设计、逻辑门、寄存器级到现在的系统级（Electronic System Level，ESL）设计，不断地上升到更抽象的层次；设计人员可以借助于EDA（Electronic Design Automation）工具完成底层的转换，同时复用已有优化的模块，甚至系统级模块；也可以集成现成的功能模块（IP，Intellectual Property），不仅是自己的，也可以是第三方的。这也催生了不少IP供应商，现在最成功的IP供应商是ARM。移动终端领域，像智能手机、平板电脑绝大多数用的都是ARM的核。对于一个系统设备供应商，芯片设计和开发能力是保证产品竞争力的关键技术。通过多年的经验积累，中兴通讯今天能与业界同步地在领先的28nm工艺节点上设计和开发高端路由器核心芯片。

    回顾历史，我们惊叹于半导体工艺的飞速发展。正如最近Intel在其工艺路线图演讲中所说的，“摩尔定律并不是自然规律，而是一种持续创新的期望。”摩尔定律驱动我们不断地寻求创新、突破。正是基于这样的指导思想，使得晶体管的制造成本从开始到现在改进了千万倍，成就了一个几千亿美元的半导体工业，推动了整个电子工业的高速发展。美国时代杂志在2011年2月份有一封面文章谈到，人们的思维习惯于线性外推，可现实的很多事情的发展都是指数级，超出常人能够理解的范围。就说最日常的手机，比40年前的计算机强大上千倍，却只有百万分之一的尺寸，百万分之一的成本。我们能够想象40年后这个世界会是什么样的吗？