文章來源：中國物理學(xué)會期刊網(wǎng) 原文作者：復(fù)旦大學(xué)陸葉、唐誠杰 編譯自 James McKenzie. Physics World，2023，(8)：30

本文選自《物理》2023年第9期

英特爾共同創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)在今年與世長辭，而他對半導(dǎo)體芯片晶體管密度持續(xù)增長的著名預(yù)測依舊聞名于世。詹姆斯·麥肯齊(James McKenzie)深入研究了這一60多年來仍然正確的預(yù)測，也就是大家所熟知的“摩爾定律”，但同時也提醒人們，這一定律的延續(xù)正日益困難，且成本不斷攀升。

當(dāng)臺積電(TSMC)2022年宣布計劃興建一座新的集成電路制造工廠之時，引人注目的不僅僅是高達(dá)330億美元的造價，更重要的是這座即將在2025年于新竹啟動的新工廠會被用于制造世界上第一款“2納米”尺度的芯片。新芯片會比現(xiàn)有任何芯片更小、更快，且能效提高30%。新芯片將幫助極大提升從智能手機(jī)到電腦等電子設(shè)備的性能。

不過半導(dǎo)體行業(yè)對能夠制造出如此小尺度且性能強(qiáng)勁的芯片已經(jīng)習(xí)以為常，早在1965年戈登·摩爾就提出了被后世稱為“摩爾定律”的著名預(yù)測，即在集成電路(芯片)上的晶體管數(shù)量每年都會翻倍。摩爾在《電子學(xué)》雜志上預(yù)測，到1975年，工業(yè)界有能力在一個面積為一平方英寸(6.25 cm2)的硅芯片上制造25萬個元器件。

雖然摩爾本人后來自謙地稱這個預(yù)測只是一個“野心勃勃的推測”，并且其在1975年將這個預(yù)測修改為每2年晶體管數(shù)量增加1倍，但這樣一個“推測”確實(shí)一直被事實(shí)驗(yàn)證至今。實(shí)際上摩爾定律從未被確立為一個科學(xué)“定律”，更多的是對半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的描述以及推動未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的路線。

展望未來

基礎(chǔ)物理學(xué)告訴我們，隨著晶體管的變小，其運(yùn)行速度更快，所需功率更低。簡單的經(jīng)濟(jì)學(xué)原理也告訴我們，當(dāng)一個芯片上放置了更多的晶體管時，每個晶體管所需的制造成本也更低。摩爾在他1965年發(fā)表的文章中提到“元器件的成本幾乎與元器件數(shù)量成反比”。事實(shí)證明摩爾是個有遠(yuǎn)見的人，他正確地預(yù)見了半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，雖然多年過去，晶體管尺縮技術(shù)的具體細(xì)節(jié)已經(jīng)有了很大的變化，但摩爾對于集成電路發(fā)展的預(yù)測已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。他成功預(yù)見了數(shù)字手表、家用電腦、智能手機(jī)(或被他稱為個人移動通訊設(shè)備)的出現(xiàn)，以及用電話線傳遞多種信息、自動駕駛技術(shù)的問世。

在一次IEEE Spectrum發(fā)起的摩爾定律50周年的采訪中，摩爾表示自己也很驚訝他的預(yù)測能夠持續(xù)如此之久，“我從沒想過有人能把這個定律記這么久”。對他來說，摩爾定律的延續(xù)是對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)工程師創(chuàng)造力的贊美，他們一次又一次地找到了新的方法來縮小晶體管尺寸，“我覺得只有幾代(芯片)的持續(xù)，在那之后(我們)會碰到一些壁壘，但事實(shí)上這些壁壘不斷地被打破。

但在同一次采訪中，摩爾也指出兩個基本物理極限將最終阻止芯片進(jìn)一步微型化。他回憶起物理學(xué)家斯蒂芬·霍金在訪問硅谷時說過的話，“沒有什么可以超過光速，而材料最終也是由有限大小的原子組成的。”換言之，芯片的速度和尺度都有限制。摩爾提出了一個警示：“這些是我看不到怎樣才能繞過去的基本問題。而在接下去的幾代芯片上，我們就會直面這些問題。”

那么，摩爾定律的終結(jié)真的要來了嗎？

更小、更快、更好

計算機(jī)的核心是中央處理單元(CPU)，它是由晶體管連接在一起并形成能執(zhí)行基本算術(shù)運(yùn)算的集成電路。世界上第一款單芯片微處理器是英特爾在1971年發(fā)布的四位CPU，即Intel 4004。其擁有2300個晶體管，每個晶體管的尺寸為10 μm，售價為60美元。不過摩爾預(yù)測，集成電路上的晶體管數(shù)目會迅速提升。

在80年代早期，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)開始生產(chǎn)1 μm尺度的晶體管，單個芯片能容納的晶體管數(shù)目也達(dá)到10萬個，這個數(shù)字在90年代初已經(jīng)達(dá)到了一百萬，21世紀(jì)初則接近了千萬，十年后更是已經(jīng)過億。最新的利用“5 nm工藝”生產(chǎn)的CPU可以容納超過100億個晶體管，2019年英特爾已經(jīng)能在一平方毫米的芯片上制造一億以上的晶體管了(圖2)。(不過現(xiàn)在的工藝名稱并不代表器件的實(shí)際尺寸，例如臺積電的2 nm芯片并不代表晶體管的實(shí)際物理尺寸能到2 nm。)

圖2 芯片上的晶體管數(shù)目在英特爾1971年發(fā)布第一款CPU芯片4004后快速上升。“摩爾定律”表明這個數(shù)目每兩年會翻一倍，但繼續(xù)這種趨勢正變得越加困難

現(xiàn)代集成電路制造是通過采用硅或其他半導(dǎo)體作為襯底，使用各種“光刻”技術(shù)逐層構(gòu)建電路。制造工藝通常都涉及光或化學(xué)反應(yīng)，除了極高的工藝制造水平之外，代工廠的潔凈程度也令人稱奇。

1971年英特爾生產(chǎn)的4004芯片采用“10 μm工藝”，也就意味著芯片上所有晶體管之間的間距不超過10 μm。為了達(dá)到這樣的小尺寸，英特爾率先使用了“光學(xué)掩模”技術(shù)，其本質(zhì)上是一個大的、透明的玻璃板，部分被鉻覆蓋形成圖形，藍(lán)光通過掩模照射在晶片表面上。英特爾巧妙地使用光敏有機(jī)光刻膠覆蓋了晶圓，當(dāng)光線照射到這些有機(jī)層的時候就會產(chǎn)生反應(yīng)，未被曝光的區(qū)域則保持原樣，之后可以使用溶劑溶解掉那些被光線照射到的部分，從而把掩模上的原始圖案移到硅上(圖3)，而完整地制造集成電路所需的器件都需要幾步掩模工藝完成。

圖3 光刻是制造更小晶體管的核心技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)通過在硅的表面涂覆能與光發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的光刻膠，結(jié)合有圖形的掩膜板，進(jìn)一步采用光照和顯影來實(shí)現(xiàn)硅襯底表面的圖形化

為了讓集成電路晶體管尺縮延續(xù)，人們在掩模和晶圓之間引入了越來越精確的“投影透鏡”。例如，在80年代，“步進(jìn)式***”的發(fā)展讓2 μm芯片成為可能。步進(jìn)式***統(tǒng)治了90年代的光刻技術(shù)，直到250 nm尺度。

集成電路制造中最小尺度最終被兩個因素所限制：首先是光刻膠的最大分辨率，其次是能夠投影到晶圓上的圖像最小尺寸。這個最小尺寸也被稱為瑞利判據(jù)或衍射極限，由公式0.61λ/NA給出，其中λ是光的波長，NA是投影透鏡的數(shù)值孔徑。換句話說，光波長的一半定義了最小的投影尺寸。為了達(dá)到更小的尺度，光刻系統(tǒng)在多年的發(fā)展中逐漸轉(zhuǎn)向了比藍(lán)光(波長436 nm)波長更短的紫外光(波長365 nm)，以及后來的深紫外光(波長248 nm)，最新的***則采用了ArF準(zhǔn)分子激光(193 nm)作為光源。而數(shù)值孔徑的提升，從早期系統(tǒng)的0.16到目前驚人的0.93，也很大程度上幫助了摩爾定律繼續(xù)延續(xù)。

向2 nm進(jìn)軍

臺積電的工廠是如何實(shí)現(xiàn)2 nm工藝呢？即使對于193 nm波長的光來說，這個尺度也遠(yuǎn)低于衍射極限。為了更小的尺度，大部分芯片制造廠都轉(zhuǎn)向了荷蘭ASML公司所開發(fā)的使用13.5 nm波長極紫外光的全新EUV***，這種光源已經(jīng)接近X射線的范圍。這是令人難以置信的工程壯舉，它極大地推動了技術(shù)發(fā)展，進(jìn)一步逼近了物理理論極限。在真空中用激光轟擊錫的熔融滴，產(chǎn)生EUV光，隨后被Zeiss提供的鏡片反射。每臺EUV***超過1.5億美元。盡管價格昂貴，但目前為止ASML公司已經(jīng)售出了140多臺這樣的EUV***，作為唯一的供應(yīng)商，ASML公司的技術(shù)能力事實(shí)上成為了半導(dǎo)體工業(yè)擴(kuò)張的瓶頸。

根據(jù)報道，第一代用EUV技術(shù)制造的芯片已經(jīng)被用于翻譯技術(shù)、搜索引擎、圖像識別及人工智能等科技上。我們的日常消費(fèi)品中也有EUV技術(shù)的身影，最新款的手機(jī)芯片都需要用到ASML的設(shè)備來制造。

當(dāng)然，材料科學(xué)與晶體管設(shè)計方面的進(jìn)步也幫助了摩爾定律繼續(xù)延續(xù)，以“鰭式場效應(yīng)晶體管”(FinFET)為例，它們在硅基底的表面使用隆起的鰭式結(jié)構(gòu)。FinFET是3D堆疊式晶體管的先鋒，一些半導(dǎo)體公司已經(jīng)做出了176層掩模層的設(shè)備，而半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展路線表明，接下來幾代器件可能采用超過600層掩模層的設(shè)備去制造。最新的2 nm工藝甚至使用了更高端的晶體管技術(shù)，也就是所謂的全環(huán)繞柵極技術(shù)(GAA)，IBM公司已經(jīng)采用這種晶體管技術(shù)制備了密度高達(dá)每平方毫米3.3億個晶體管的芯片，而IBM聲稱這種技術(shù)能在指甲蓋大小的芯片上容納超過500億個晶體管。這項(xiàng)技術(shù)將大大延長智能手機(jī)電池的壽命，減少數(shù)據(jù)中心的成本，且讓筆記本電腦運(yùn)行更快。

突破物理限制

事實(shí)上業(yè)界正在嘗試一切可能的手段去延續(xù)摩爾定律。ASML正在著力發(fā)展1 nm光刻技術(shù)，這是值得期待的，畢竟2 nm工藝所生產(chǎn)的芯片相比3 nm工藝的芯片性能將提高15%，同時能耗減少25%。

摩爾定律當(dāng)然尚未終結(jié)。雖然在2 nm的尺度物理上只有10個硅原子了，但是實(shí)際器件尺寸并不是2 nm，兩個柵極之間的距離可能達(dá)到50 nm，所以我們還有繼續(xù)尺縮的空間。

但另一方面，我們已經(jīng)很難預(yù)見以后延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵創(chuàng)新是什么。2016年，來自德國、日本和美國的研究人員制造了一個由酞菁分子(phthalocyanine)和僅12個銦原子組成的晶體管，其柵極尺寸為0.167 nm，這可能是“摩爾定律的絕對硬極限”。為了不同的應(yīng)用設(shè)計不同類型的芯片也是一種可行的方法，例如利用圖形處理單元(GPU)而不是CPU計算的AI技術(shù)，GPU能夠并行計算的特性提升了計算效率。

最后，將摩爾定律延續(xù)到多遠(yuǎn)可能是一個純粹的經(jīng)濟(jì)問題。就像相比于5 nm工廠150—200億美元的造價，臺積電的最新工廠成本高達(dá)330億美元，延續(xù)摩爾定律是一項(xiàng)風(fēng)險極高的游戲。在這種情形之下，只有少數(shù)的幾個玩家有開發(fā)下一代芯片技術(shù)的資本。它們沒有放棄摩爾定律，但前面的道路將困難重重。

戈登·摩爾：個人經(jīng)歷

戈登·摩爾(右)和英特爾共同創(chuàng)始人，中間是發(fā)明了第一塊集成電路的羅伯特·諾伊斯，左側(cè)是于1987年至1998年擔(dān)任英特爾CEO的安德魯·格魯夫

戈登·厄爾·摩爾于1929年1月3日出生在美國加州的佩斯卡德羅，1950年在加州大學(xué)伯克利分校獲得化學(xué)學(xué)士學(xué)位，之后在加州理工大學(xué)獲得了化學(xué)博士學(xué)位，并在1953—1956年期間在霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究，隨后他離開了學(xué)術(shù)界并加入了由物理學(xué)家威廉·肖克利建立的肖克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室(SSL)。

之后摩爾和其他七位同事一起在1957年辭職，并創(chuàng)辦了仙童半導(dǎo)體。也就是在1965年擔(dān)任仙童半導(dǎo)體研究總監(jiān)期間，摩爾提出了他著名的“摩爾定律”。1968年，摩爾和鮑勃·諾伊斯離開了仙童并創(chuàng)建了著名的英特爾。摩爾在英特爾期間擔(dān)任過多個高級職位，包括主席與首席執(zhí)行官(CEO)。摩爾還是一位慷慨的慈善家，于2000年設(shè)立了戈登/貝蒂·摩爾基金會，并捐贈了50億美元用于支持教育與環(huán)境項(xiàng)目。

審核編輯：湯梓紅