摩爾定律或?qū)⒂|碰物理和經(jīng)濟(jì)邊界

編譯 李威

2022年，臺(tái)灣積體電路制造公司（臺(tái)積電，TSMC）宣布計(jì)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(jì)于2025年在新竹市投入運(yùn)營的工廠屆時(shí)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(yùn)算速度更快，工作效率也能提升多達(dá)30%。臺(tái)積電的這些新產(chǎn)品會(huì)賣給蘋果等公司——蘋果目前是臺(tái)積電的最大客戶——為從手機(jī)到筆記本電腦的一切設(shè)備提供服務(wù)。

有遠(yuǎn)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(huì)主席

不過，我們能造出如此小、功能又如此強(qiáng)大的芯片，這個(gè)事實(shí)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(gè)電子元件。

事實(shí)證明，摩爾的預(yù)言是正確的，盡管他本人后來稱這個(gè)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(shí)的檢驗(yàn)，準(zhǔn)確得驚人。實(shí)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(fèi)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(qiáng)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(shí)運(yùn)行速度會(huì)越來越快，需要的能源會(huì)越來越少。摩爾在他1965年的那篇文章中特別指出：“每個(gè)部件的成本幾乎與部件數(shù)量呈反比?！碑?dāng)時(shí)，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(gè)概念結(jié)合在了一起。

事實(shí)證明，摩爾是一個(gè)有遠(yuǎn)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(xì)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(shí)。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(jī)（當(dāng)然，用他自己的原話說是“個(gè)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(dòng)控制、自動(dòng)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(gè)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(gè)預(yù)測?！痹谀柨磥?，摩爾定律的經(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。“我當(dāng)時(shí)最多只是看到了未來幾代芯片的發(fā)展。按我當(dāng)時(shí)的想法，幾代之后，我們就很有可能會(huì)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?！?/p>

然而，也是在這次采訪中，摩爾提出，到最后，仍有兩個(gè)基本物理局限會(huì)阻礙進(jìn)一步的小型化。他當(dāng)時(shí)還回憶起宇宙學(xué)家斯蒂芬 · 霍金（Stephen Hawkin）造訪硅谷時(shí)指出的事實(shí)：沒有任何物體的運(yùn)動(dòng)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(shí)間，我們就要與這些終極限制正面對(duì)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(shí)會(huì)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(shí)，光刻膠暴露在光線下的那部分會(huì)發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)，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(huì)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(jì)算機(jī)的核心都是中央處理器（CPU），它是由多個(gè)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(yùn)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(gè)晶體管，每個(gè)晶體管大小大約是10微米，售價(jià)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(gè)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(dá)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(gè)晶體管，整個(gè)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(tái)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?cè)谛酒圃旆矫嫒〉玫目胺Q不可思議的進(jìn)步，更包括如今半導(dǎo)體制造工廠所要求的絕對(duì)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(shí)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(shí)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(lán)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(jī)光刻膠，這層物質(zhì)在受到光照射時(shí)會(huì)發(fā)生反應(yīng)，而沒有照到光的區(qū)域則會(huì)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(huì)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(gè)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(jìn)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(jìn)器始終是“拓印”光刻圖樣的主流設(shè)備，整個(gè)20世紀(jì)90年代都是如此，當(dāng)時(shí)，芯片晶體管的最小特征尺寸達(dá)到了250納米量級(jí)。

然而，最后還是有兩個(gè)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(gè)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(jì)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(lán)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(jìn)步也功不可沒，這種技術(shù)可以將各種光學(xué)掩模對(duì)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(tái)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(yuǎn)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(tái)成本超過1.5億美元，必須用40個(gè)大型貨運(yùn)集裝箱、3架運(yùn)貨飛機(jī)和20多輛卡車才能送到客戶手中。雖然價(jià)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(shí)際上也成了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步擴(kuò)張的瓶頸。

根據(jù)《麻省理工科技評(píng)論》（MITTechnologyReview）的報(bào)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(shí)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(fèi)者，因?yàn)樘O果、三星等公司已經(jīng)開始使用ASM L的機(jī)器生產(chǎn)智能手機(jī)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(jì)方面的驚人進(jìn)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(duì)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(duì)下一代設(shè)備規(guī)劃的路線圖上，600層才是這個(gè)行當(dāng)?shù)哪繕?biāo)。

最新的2納米工藝使用的則是更加先進(jìn)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(jī)器公司（IBM）已經(jīng)開始使用這類設(shè)備生產(chǎn)密度達(dá)到平方毫米3.33億個(gè)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(gè)晶體管。IBM公司還表示，這類芯片能使智能手機(jī)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(yùn)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(dòng)。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(jìn)。同時(shí)，我們還能期待光刻技術(shù)本身有進(jìn)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(tái)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(shí)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(gè)硅原子的寬度了，但請(qǐng)記住，2納米芯片中的晶體管實(shí)際上并沒有那么小。實(shí)際上，在2納米芯片中，一個(gè)柵極到另一個(gè)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(diǎn)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(jià)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(gè)銦原子包裹一個(gè)酞菁分子制成了一個(gè)晶體管。這個(gè)晶體管的柵極尺寸僅為0.167納米，那會(huì)是“摩爾定律絕對(duì)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(jì)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(jì)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(gè)純粹的經(jīng)濟(jì)學(xué)問題。臺(tái)積電的新工廠成本預(yù)算已經(jīng)達(dá)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(xiǎn)的游戲。在這樣高的門檻下，只有IBM、英特爾、三星和臺(tái)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(jìn)一步，確實(shí)是很難很難。

資料來源PhysicsWorld