摩爾定律或?qū)⒂|碰物理和經(jīng)濟邊界

編譯 李威

2022年，臺灣積體電路制造公司（臺積電，TSMC）宣布計劃新建一座集成電路工廠，吸引大眾眼球的不單單是那令人瞠目結(jié)舌的330億美元預(yù)算。更重要的是，這座預(yù)計于2025年在新竹市投入運營的工廠屆時將生產(chǎn)全球第一批“2納米”芯片。這些全新的芯片比以往的任何產(chǎn)品都體積更小、運算速度更快，工作效率也能提升多達30%。臺積電的這些新產(chǎn)品會賣給蘋果等公司——蘋果目前是臺積電的最大客戶——為從手機到筆記本電腦的一切設(shè)備提供服務(wù)。

有遠見的思想者戈登 · 摩爾，2023年3月24日逝世，1968年聯(lián)合創(chuàng)立了英特爾公司，后來擔(dān)任這家公司的首席執(zhí)行官和董事會主席

不過，我們能造出如此小、功能又如此強大的芯片，這個事實本身并不令人意外。畢竟，工程師戈登 · 摩爾（Gordon Moore，1929—2023）早在1965年就提出了著名預(yù)言：集成電路上的晶體管數(shù)量每年都應(yīng)該翻一番。摩爾在為《電子學(xué)》（Electronics）雜志撰寫的文章中估測：到1975年，面積為一平方英寸（約6.25平方厘米）的硅芯片上應(yīng)該能集成25個電子元件。

事實證明，摩爾的預(yù)言是正確的，盡管他本人后來稱這個判斷為“瘋狂的外推”，并且還在1975年修改了預(yù)測，提出芯片集成的晶體管數(shù)量每兩年翻一番。這些預(yù)言就是后來著名的“摩爾定律”，且完全經(jīng)受住了事實的檢驗，準(zhǔn)確得驚人。實際上，正是在狹小空間里容納更多晶體管的能力支撐了電子消費行業(yè)幾乎完全不間斷的增長。但是，我們必須清楚地知道，摩爾定律從來不是既定的科學(xué)“定律”，更多的只是描述了電子芯片過去的發(fā)展以及半導(dǎo)體行業(yè)強加給自己的未來發(fā)展路線圖。

看向未來

基礎(chǔ)物理學(xué)告訴我們，晶體管在越做越小的同時運行速度會越來越快，需要的能源會越來越少。摩爾在他1965年的那篇文章中特別指出：“每個部件的成本幾乎與部件數(shù)量呈反比?！碑?dāng)時，摩爾正擔(dān)任美國仙童半導(dǎo)體公司研發(fā)主管，將芯片發(fā)展速度和成本下降速度兩個概念結(jié)合在了一起。

事實證明，摩爾是一個有遠見的思想者，他正確預(yù)見到半導(dǎo)體技術(shù)將以驚人的速度發(fā)展。雖然，在過去幾年里，我們縮小晶體管的方式在細節(jié)上發(fā)生了不小變化，但摩爾關(guān)于集成電路快速發(fā)展的許多預(yù)測已經(jīng)變成了現(xiàn)實。他在1965年的那篇文章里就預(yù)見了電子手表、家用電腦、智能手機（當(dāng)然，用他自己的原話說是“個人便攜式通信設(shè)備”）以及通過電話線發(fā)送多條信息的能力，當(dāng)然還有汽車的自動控制、自動駕駛。

在1965年那篇論文發(fā)表50周年之際，摩爾接受了IEEESpectrum的采訪，并表示他很驚訝這個定律竟然持續(xù)了那么久都沒被打破。他說：“我從來沒想過過了這么久大家都還記得這個預(yù)測?！痹谀柨磥恚柖傻慕?jīng)久不衰就是半導(dǎo)體行業(yè)工程師創(chuàng)造力的豐碑，他們一次又一次地找到了縮小芯片、縮小設(shè)備的方法?！拔耶?dāng)時最多只是看到了未來幾代芯片的發(fā)展。按我當(dāng)時的想法，幾代之后，我們就很有可能會遭遇某種瓶頸。不過，目前看來，原本設(shè)想的種種瓶頸都被我們甩在了后面。”

然而，也是在這次采訪中，摩爾提出，到最后，仍有兩個基本物理局限會阻礙進一步的小型化。他當(dāng)時還回憶起宇宙學(xué)家斯蒂芬 · 霍金（Stephen Hawkin）造訪硅谷時指出的事實：沒有任何物體的運動速度能超過光速，而物質(zhì)說到底也是由有限大小的原子構(gòu)成的。換句話說，速度和大小就是芯片制造面臨的終極物理學(xué)束縛。摩爾警告說：“這些都是基礎(chǔ)層面的限制，我完全想象不到要如何解決。另外，再過幾代人的時間，我們就要與這些終極限制正面對抗了?！?/p>

光很重要 在我們制造越來越微小的晶體管的過程中，光刻技術(shù)一直是核心。這種技術(shù)需要在硅基底上涂上一層所謂的“光刻膠”，光刻膠在被光線照射時會發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)光線穿過基底上方擁有特殊圖樣的光學(xué)掩模時，光刻膠暴露在光線下的那部分會發(fā)生反應(yīng)，同時，沒有被光線找到的部分則保持不變。在涂上顯影劑后，基底上最后就會形成與光學(xué)掩模一樣的圖案，只是尺寸要小得多

所以，摩爾定律的終結(jié)已經(jīng)近在眼前了嗎？

更小、 更快、 更好

任何計算機的核心都是中央處理器（CPU），它是由多個晶體管連接在一起構(gòu)成的單塊集成電路，負(fù)責(zé)執(zhí)行基本的算術(shù)運算。1971年，英特爾公司發(fā)布了全世界第一塊單芯片微處理器，那是一種4位中央處理器，名叫“英特爾4004”。這種中央處理器擁有2 300個晶體管，每個晶體管大小大約是10微米，售價60美元。不過，正如摩爾預(yù)測的那樣，集成電路中的晶體管數(shù)量很快就大幅上升了。

到了20世紀(jì)80年代初，晶體管的尺寸小到了1微米，單塊芯片上可以封裝多到10萬個晶體管。單塊芯片封裝的晶體管數(shù)量在20世紀(jì)90年代上升到了100萬，在21世紀(jì)初上升到了1 000萬，又在十年后達到了1億。截至2019年，最新的中央處理器采用所謂的“5納米工藝”，能在每平方毫米的芯片上封裝至少1億個晶體管，整個中央處理器封裝的晶體管總數(shù)可以超過100億。（這些年來，所謂的“工藝”本質(zhì)上已經(jīng)變成了一種營銷術(shù)語。舉例來說，臺積電所謂的2納米芯片并不是真的指產(chǎn)品中有什么部件的物理尺寸小到了2納米。）

現(xiàn)代集成電路是以硅或其他半導(dǎo)體材料為襯底，然后使用各種“光刻”技術(shù)逐層構(gòu)建電路。這類光刻技術(shù)種類繁多，但通常都涉及光反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)。令人驚奇的還不僅僅是我們在芯片制造方面取得的堪稱不可思議的進步，更包括如今半導(dǎo)體制造工廠所要求的絕對潔凈水平。

說回1971年，英特爾4004芯片使用的是一種“10微米工藝”，這在當(dāng)時意味著芯片上的所有晶體管相互間的距離都不超過10微米。為了實現(xiàn)如此之小的尺寸，英特爾率先使用了“光學(xué)掩?！薄举|(zhì)上就是一大塊透明玻璃板，上面的部分區(qū)域覆有能吸收光的鉻圖樣。生產(chǎn)人員將光學(xué)掩模放在晶圓上方，再用藍光照射光學(xué)掩模，最后打到晶圓上。

英特爾公司的聰明之處在于在晶圓上涂了一層光敏有機光刻膠，這層物質(zhì)在受到光照射時會發(fā)生反應(yīng)，而沒有照到光的區(qū)域則會保持原狀。再使用某種溶劑溶解掉暴露在光線下的部分，光學(xué)掩模上的原始圖案就可以轉(zhuǎn)移到硅晶圓上，只是尺寸會變得小得多。為了制造集成電路所需的各種部件，要使用多次、多種光學(xué)掩模。

多年以來，為了讓最后得到的集成電路越來越小，就必須在光學(xué)掩模和晶圓之間引入越來越精確的“投影透鏡”。舉個例子，在20世紀(jì)80年代，為了制造2微米芯片，研發(fā)人員開發(fā)了“縮小步進器”。這類設(shè)備能把光學(xué)掩模圖樣一步一步縮小成尺寸更小的圖樣。自發(fā)明之后，縮小步進器始終是“拓印”光刻圖樣的主流設(shè)備，整個20世紀(jì)90年代都是如此，當(dāng)時，芯片晶體管的最小特征尺寸達到了250納米量級。

然而，最后還是有兩個因素限制著拓印圖樣的最小尺寸：一是光刻膠的分辨能力；二是投影到晶圓上的圖像的最小尺寸。這個最小尺寸——也就是大家熟知的“瑞利準(zhǔn)則”或者說“衍射極限”——可以用0.61λ/NA計算得到，式中，λ代表光的波長，而NA則是投影透鏡的數(shù)值孔徑。換句話說，投影產(chǎn)生的圖像最小大概就是使用的光的波長的一半。

于是，為了制作更小尺寸的芯片，光刻系統(tǒng)這些年里轉(zhuǎn)而使用了波長越來越短的光，先是藍光（436納米），然后是紫外光（365納米），接著是深紫外光（248納米），而最新的系統(tǒng)則用上了氬氟準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的193納米光。數(shù)值孔徑的提升——從早期系統(tǒng)中的0.16，上升到了高到令人詫異的0.93——也為摩爾定律的延續(xù)立下了汗馬功勞。另外，納米定位技術(shù)的巨大進步也功不可沒，這種技術(shù)可以將各種光學(xué)掩模對齊到合適的精度。

奔向2 納米

然而，我們要怎么才能得到像臺積電新竹工廠生產(chǎn)的那種2納米芯片？即便是使用193納米這么短波長的光，2納米也遠在衍射極限之下。于是，大部分芯片制造商轉(zhuǎn)向了荷蘭跨國公司阿斯麥（ASML）開發(fā)的系統(tǒng)。這些設(shè)備使用的是波長為13.5納米的極紫外光（EUV）——那幾乎就是X射線的波長了——它們簡直是不可思議的工程學(xué)壯舉，在物理學(xué)定律的邊界上取得了巨大突破。

那么，極紫外光怎么產(chǎn)生呢？在真空容器中用激光轟擊熔融狀態(tài)的錫滴，然后再讓它到蔡司公司制造的鏡子（按照阿斯麥公司的說法，這是全世界最平的平面）上反彈。ASML系統(tǒng)體積龐大，每臺成本超過1.5億美元，必須用40個大型貨運集裝箱、3架運貨飛機和20多輛卡車才能送到客戶手中。雖然價格極為高昂，但ASML公司截至目前已經(jīng)售出了至少140套極紫外光系統(tǒng)。不過，作為唯一供應(yīng)商，ASML實際上也成了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進一步擴張的瓶頸。

根據(jù)《麻省理工科技評論》（MITTechnologyReview）的報道，谷歌和亞馬遜公司已經(jīng)開始使用第一代擁有極紫外光特征的芯片，主要用于提升語言翻譯、搜索引擎結(jié)果、照片識別和人工智能等應(yīng)用的質(zhì)量。另外，極紫外光革命也在走近大眾消費者，因為蘋果、三星等公司已經(jīng)開始使用ASM L的機器生產(chǎn)智能手機中的芯片。

維持摩爾定律屹立不倒的還有材料科學(xué)以及晶體管設(shè)計方面的驚人進步，比如“翅片場效應(yīng)晶體管”。這種部件在硅基表面使用相對較高的翅片結(jié)構(gòu)。翅片場效應(yīng)晶體管是第一代能夠互相堆疊的三維晶體管之一。目前，芯片公司已經(jīng)在生產(chǎn)具有176層光學(xué)掩模層的設(shè)備，但在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對下一代設(shè)備規(guī)劃的路線圖上，600層才是這個行當(dāng)?shù)哪繕?biāo)。

最新的2納米工藝使用的則是更加先進的翅片場效應(yīng)晶體管，也就是“全包圍柵極”（GA A）設(shè)備。美國的國際商業(yè)機器公司（IBM）已經(jīng)開始使用這類設(shè)備生產(chǎn)密度達到平方毫米3.33億個晶體管的芯片。按照這家公司的說法，它們可以在“手指甲大小的芯片上”集成500億個晶體管。IBM公司還表示，這類芯片能使智能手機的電池壽命延長4倍，能降低數(shù)據(jù)中心的成本，還能讓筆記本電腦運算得更快。

在極限處奮斗

從本質(zhì)上說，目前的情況是，每一根可以維持摩爾定律的杠桿都正在被撬動。例如，ASML正使用極紫外線光刻系統(tǒng)朝著1納米尺度的芯片邁進。同時，我們還能期待光刻技術(shù)本身有進一步發(fā)展，畢竟它的分辨率通常每6年就能減半。上述種種努力當(dāng)然也是值得的，舉例來說，用臺積電2納米硅芯片制成的處理器速度可以比使用3納米芯片的設(shè)備快15%，同時還能節(jié)省大約25%的能量。

摩爾定律肯定還沒有終結(jié)。雖然2納米幾乎就是10個硅原子的寬度了，但請記住，2納米芯片中的晶體管實際上并沒有那么小。實際上，在2納米芯片中，一個柵極到另一個柵極的距離（也就是所謂的“柵極間距”）接近50納米，所以還有一點空間可供我們發(fā)揮。另外，我們還可以通過撰寫更高效的軟件程序，從現(xiàn)有芯片中榨取更多價值。

然而，現(xiàn)在很難想象接下去還有什么創(chuàng)新能使摩爾定律繼續(xù)屹立不倒。2016年，德國、日本和美國的研究人員用僅僅12個銦原子包裹一個酞菁分子制成了一個晶體管。這個晶體管的柵極尺寸僅為0.167納米，那會是“摩爾定律絕對無法超越的硬極限”。還有一種方法就是為特定類型的應(yīng)用設(shè)計不同類型的芯片，比如有些人工智能類應(yīng)用使用的就是圖形處理單元（GPU）而不是中央處理器，這樣就可以做并行計算，提升效率。

最后，我們能把摩爾定律延續(xù)到何種程度很可能還是一個純粹的經(jīng)濟學(xué)問題。臺積電的新工廠成本預(yù)算已經(jīng)達到330億美元——比生產(chǎn)5納米芯片的工廠的成本150億~200億美元高出了許多——維持摩爾定律注定是一場高風(fēng)險的游戲。在這樣高的門檻下，只有IBM、英特爾、三星和臺積電等少數(shù)幾家公司有能力開發(fā)下一代半導(dǎo)體芯片技術(shù)。他們肯定沒有放棄摩爾定律，但要想更進一步，確實是很難很難。

資料來源PhysicsWorld