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英特尔捍卫摩尔定律 先进制程推进脚步不停歇

向来是摩尔定律坚定支持者的英特尔仍认为,基于应用市场需求与降低晶片生产成本的考量,半导体业界在制程微缩这条路上,还是会继续走下去。

摩尔定律发表至今已逾50个年头,半导体业在先进制程研发上遇到的挑战日英特尔(Intel)技术制造部副总裁白鹏(PengBai)近日参加2016年VLSI技术研讨会,并针对摩尔定律(Moore's Law)的过去、现在与未来发表开幕演说,分享英特尔的观点。虽然摩尔定律是否能继续延续下去,近年来始终在业界激起正反两面的讨论,但从英特尔的评估资料看来,摩尔定律未来还能延续很长一段时间。

摩尔定律即将失效? 白鹏认为言之过早

白鹏指出,过去十多年来,摩尔定律即将失效的说法经常引发热烈讨论,但各界对于摩尔定律的意涵常常是各自表述。摩尔定律在1975年提出时,指的是半导体业界每隔18~24个月就能将晶片上整合的电晶体数量增加1倍。因此,在晶片设计不变的情况下,晶片的生产成本将会因面积缩小而随之降低,或是可以用类似的生产成本生产出功能更强的晶片。

从晶片生产成本的角度来看,摩尔定律其实并没有让半导体业界失望。到目前为止,每一代新制程的单一电晶体生产成本(Cost Per Transistor, CPT)还是按照摩尔定律所预言的轨迹下跌。值得注意的是,英特尔所谈的CPT不包含制程研发、晶片设计等成本,但这些成本也正随着制程精进而不断增加。

白鹏认为,等到新制程的CPT仍维持在前一代制程的89%%以上,也就是新制程能带来的CPT降低效果不到11%%时,再来宣称摩尔定律已经失效,或许比较合理。

目前新制程所能带来的CPT缩减效果还在3~4成之间,这也是为何英特尔始终不认为摩尔定律已经走到尽头的原因。

展望未来,半导体业界持续在先进制程上投资,还是能创造出可观的经济效益。

英特尔内部曾做过估算,如果停止研发先进制程,未来10年都用现有制程来生产晶片,则晶片生产成本将比持续投资先进制程的情况多出一倍有余。而先进制程的研发成本,可能只有整体晶片制造成本的1~3成间。

次世代EUV微影技术已在转角处

但白鹏也坦言,要不断推出更先进的半导体制程,在技术与经济方面所遭遇到的挑战确实是越来越艰钜,特别是在经济层面。

举例来说,英特尔在14奈米制程上导入了双重曝光(Double Patterning)技术,让193奈米浸润式微影机台可以沿用到14奈米制程节点。面对10奈米制程世代,英特尔认为,只要多增加几道曝光程序,现有机台大致上还是可以继续沿用,只是生产流程会拉得更长、更复杂,而且成本也会提高,经济效益不甚理想。

白鹏指出,要用更具经济效益的方法缩小电晶体尺寸,关键还是在极紫外光(EUV)微影技术上。虽然他不愿正面谈论英特尔导入EUV的时程,却表示EUV已经在转角处(Around the Corner),暗示EUV距离实际导入不会太远。

另一方面,采用最先进制程的半导体业者家数越来越少,是个显而易见的事实,更是引发摩尔定律失效之说的主因之一。白鹏认为,这个现象与每家半导体业者所面对的应用市场规模有关,主要是经济而非技术上的问题。不可讳言,先进制程的研发与投入成本很高,不是每家半导体业者锁定的应用市场规模都够大。

新材料、新架构辈出 可望与CMOS形成互补

虽然摩尔定律走到今天,已经面临越来越艰困的技术与经济效益问题,但白鹏指出,产业界与学术界仍在为继续让摩尔定律走下去而努力,并且在基础材料、设计架构上进行多方尝试。例如奈米碳管(Carbon NanoTube, CNT)、石墨烯(Graphene)以及自旋电子(Spintronics)等尖端材料与技术,都有长足进展。未来若有更进一步突破,可望为半导体制程微缩添加新动能。

不过,白鹏也强调,由于互补金属氧化物半导体(CMOS)已经是半导体业内最普遍的制程,拥有庞大的规模经济效益,故即便新材料或新技术取得重大突破,开始应用在晶片量产上,预料也无法完全取代CMOS在半导体业界的地位。比较可能出现的情况是,半导体业界会利用这些新材料或新技术来弥补CMOS的不足之处,形成某种混搭。

延续摩尔定律要靠产业链携手合作

摩尔定律发展面临诸多挑战,已是公认事实。但白鹏认为,只要半导体产业链携手合作,仍有机会克服难关。

例如有一派主张认为,目前摩尔定律所能带来的成本效益已经不如以往,即便不考虑晶片设计与制程研发等成本,压低CPT的效果同样不如以往。对此白鹏回应,CPT的计算牵涉到许多复杂因素,例如IC设计就会对CPT造成明显影响。

白鹏指出,晶片内部互连已经是IC设计时的一大挑战,随着连线电路越细、绕线距离越长,通讯的速度也越容易受到影响,而且还会衍生棘手的散热问题。这是晶圆生产者要将后段连线制程与前段电晶体制程同步推进时,所遇到的最大顾虑。如果晶片设计者能针对内部互连提出更创新的作法,就能创造出更多CPT缩减效果。

因此,摩尔定律要继续往下走,光靠晶圆生产技术的努力是不够的。整个半导体产业链都必须携手合作,才能打通每个环节所遭遇到的瓶颈。

责任编辑:陈炳欣


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