芯片承载着电子工业的兴衰

简介：芯片承载着电子工业的兴衰,50多年来，集成电路（IC）一直按照摩尔定律前行。但是，IC芯片的密度和计算机的速度能够一直按照摩尔定律前行吗？又有哪些物理极限和技术极限需要突破？最小晶体管到底可以由多少个原子构成？是否有能够替代硅的电子集成制造技术？这些问题困惑并激励着人们

芯片承载着电子工业的兴衰

50多年来，集成电路（IC）一直按照摩尔定律前行。但是，IC芯片的密度和计算机的速度能够一直按照摩尔定律前行吗？又有哪些物理极限和技术极限需要突破？最小晶体管到底可以由多少个原子构成？是否有能够替代硅的电子集成制造技术？这些问题困惑并激励着人们去寻找新的突破口。摩尔定律会把我们引向何方？

1959年，著名科学家理查德·费曼（Richard P.Feymann，1918~1988》在美国物理学会上作了一次《底层有足够空间》的报告。学术界普遍认为，以该文为标志，人们开始了微纳技术的研究。IC技术的发展也证明了费曼的这一观点。

在芯片产业的初期阶段，如二十世纪六七十年代，当时的芯片规模很小，只有几十个到上百个晶体管。芯片的设计通常是由设计人员在图纸上手工绘制晶体管版图，并且手动计算测试向量，用于产品的测试。这些测试通常可以保证芯片的功能和每个晶体管都被测试到。

随着芯片产业的发展，今天的芯片可以集成数十亿晶体管，有上百亿的连线，最新的Apple A12 Bionic SoC有69亿个晶体管，由台积电的7nm工艺代工制造。用手工设计和计算的方法来实现芯片的设计和测试是一个不可能完成的任务。当芯片内部的晶体管数目呈指数级增加，芯片的输入输出管脚并没有指数级地增长。比如一个集成了数十亿晶体管的芯片通常只有几百个管脚可用于测试。如何利用这些有限的管脚来充分测试芯片内部每个晶体管和每条互连线便成为了一个巨大的挑战。

另外，如果芯片设计中仅仅考虑芯片功能的测试，这些针对功能的测试向量将远远不足以保证芯片中数目庞大的晶体管都被测试到，这样做直接的后果是芯片的测试质量得不到保证。唯一的解决办法是在芯片设计中引入测试的模块，或者说进行可测性设计，从而来保证我们可以检测到芯片生产中的制造缺陷。

IC芯片越做越小，而功能越来越强，这得益于光刻技术和微纳技术的发展。1971年，英特尔（Intel）开发出第一代也是世界上第一个微处理器芯片4004，包含了4个芯片，由2300个晶体管组成。该微处理器是为便携式计算器而研发的，供应给日本计算器制造商。英特尔的第二款微处理器芯片8008被用到计算机中，推动了微处理器芯片的研发。1982年，英特尔的微处理器80286采用了1.5μm的工艺，计算机的主频为10MHz，芯片面积68.7mm2；2000年，奔腾4由4200万个晶体管组成，芯片面积224mm2，采用0.18μm工艺；2008年，i7微处理器的晶体管已达7.31亿个。

一般来说，现在把互连金属线条间距离的一半称之为半间距，可用来衡量或定义每一代技术的节点。光刻中临界尺寸或最小特征尺寸取决于光源波长和数值孔径等因素，临界尺寸是所定义的半间距的两倍。按照尺寸缩比要求，每两年或三年工艺中最小线条技术节点的尺度要缩小到原尺寸的70%。用标度因子表示为S=0.7×，称之为登纳德标度。理想的同比例缩小是指每一代产品，其场效应管沟道长、宽、栅极氧化层的厚度、结深、电源电压、阈值电压等都要缩小，并按照这个因子来计算。1995年，英特尔推出高性能奔腾处理器，技术节点和实际栅长均为350nm。从350nm以下，每代产品中该数值只是名义上的标称数值了。实际上，CMOS结构中多晶硅的门长度要比这个技术节点数值更小。

2011年，英特尔基于22nm工艺制作了一种四核常春藤桥处理器：“Ivy Bridger，Core i7”芯片，在160mm2上有14亿个晶体管。2015年以后，有了更小的加工线条，如10nm、7nm、5nm等。比如，现在采用紫外光（UV）光刻、电子束曝光，甚至X射线光刻方式，可以制备小于10m以下的加工线条。技术节点的含义随时间也在不断发生变化。近些年，受控于各大半导体公司，技术节点名称只是名称而已，与具体的数值无太大相关性了但总的来说，与最小特征尺寸有关。对DRAM来说，光刻的线条半宽越小越好；对MPU来说，栅长越小越好。

闪存是日本东芝公司舛冈富士雄（Fujio Masuoka）于1984年发明的，是一种可移动的电可擦写存储介质，结构类似MOS管器件，在沟道和栅极之间有一个氧化绝缘包奄的多晶硅浮栅，用于存储电荷作为信息。闪存的结构特征尺寸已经达到14mn。2005年，闪存的容量是2GB；2008年，16GB；2009年，32GB；2011年，64GB。2013年，128GB，包含640亿个元件，已经是当初摩尔预言的65000个元件数的100万倍了。这个数字相当惊人。同微处理器相比，闪存不属于电发热器件，它只有在写入或擦除信息的时候才消耗很少的电。因此，可以多层叠加在一起，其密度相当大。