簡介：芯片承載著電子工業(yè)的興衰,50多年來，集成電路（IC）一直按照摩爾定律前行。但是，IC芯片的密度和計算機的速度能夠一直按照摩爾定律前行嗎？又有哪些物理極限和技術(shù)極限需要突破？最小晶體管到底可以由多少個原子構(gòu)成？是否有能夠替代硅的電子集成制造技術(shù)？這些問題困惑并激勵著人們

芯片承載著電子工業(yè)的興衰

50多年來，集成電路（IC）一直按照摩爾定律前行。但是，IC芯片的密度和計算機的速度能夠一直按照摩爾定律前行嗎？又有哪些物理極限和技術(shù)極限需要突破？最小晶體管到底可以由多少個原子構(gòu)成？是否有能夠替代硅的電子集成制造技術(shù)？這些問題困惑并激勵著人們?nèi)ふ倚碌耐黄瓶?。摩爾定律會把我們引向何方?/span>

1959年，著名科學(xué)家理查德·費曼（Richard P.Feymann，1918~1988》在美國物理學(xué)會上作了一次《底層有足夠空間》的報告。學(xué)術(shù)界普遍認為，以該文為標志，人們開始了微納技術(shù)的研究。IC技術(shù)的發(fā)展也證明了費曼的這一觀點。

在芯片產(chǎn)業(yè)的初期階段，如二十世紀六七十年代，當時的芯片規(guī)模很小，只有幾十個到上百個晶體管。芯片的設(shè)計通常是由設(shè)計人員在圖紙上手工繪制晶體管版圖，并且手動計算測試向量，用于產(chǎn)品的測試。這些測試通?？梢员ＷC芯片的功能和每個晶體管都被測試到。

隨著芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，今天的芯片可以集成數(shù)十億晶體管，有上百億的連線，最新的Apple A12 Bionic SoC有69億個晶體管，由臺積電的7nm工藝代工制造。用手工設(shè)計和計算的方法來實現(xiàn)芯片的設(shè)計和測試是一個不可能完成的任務(wù)。當芯片內(nèi)部的晶體管數(shù)目呈指數(shù)級增加，芯片的輸入輸出管腳并沒有指數(shù)級地增長。比如一個集成了數(shù)十億晶體管的芯片通常只有幾百個管腳可用于測試。如何利用這些有限的管腳來充分測試芯片內(nèi)部每個晶體管和每條互連線便成為了一個巨大的挑戰(zhàn)。

另外，如果芯片設(shè)計中僅僅考慮芯片功能的測試，這些針對功能的測試向量將遠遠不足以保證芯片中數(shù)目龐大的晶體管都被測試到，這樣做直接的后果是芯片的測試質(zhì)量得不到保證。唯一的解決辦法是在芯片設(shè)計中引入測試的模塊，或者說進行可測性設(shè)計，從而來保證我們可以檢測到芯片生產(chǎn)中的制造缺陷。

IC芯片越做越小，而功能越來越強，這得益于光刻技術(shù)和微納技術(shù)的發(fā)展。1971年，英特爾（Intel）開發(fā)出第一代也是世界上第一個微處理器芯片4004，包含了4個芯片，由2300個晶體管組成。該微處理器是為便攜式計算器而研發(fā)的，供應(yīng)給日本計算器制造商。英特爾的第二款微處理器芯片8008被用到計算機中，推動了微處理器芯片的研發(fā)。1982年，英特爾的微處理器80286采用了1.5μm的工藝，計算機的主頻為10MHz，芯片面積68.7mm2；2000年，奔騰4由4200萬個晶體管組成，芯片面積224mm2，采用0.18μm工藝；2008年，i7微處理器的晶體管已達7.31億個。

一般來說，現(xiàn)在把互連金屬線條間距離的一半稱之為半間距，可用來衡量或定義每一代技術(shù)的節(jié)點。光刻中臨界尺寸或最小特征尺寸取決于光源波長和數(shù)值孔徑等因素，臨界尺寸是所定義的半間距的兩倍。按照尺寸縮比要求，每兩年或三年工藝中最小線條技術(shù)節(jié)點的尺度要縮小到原尺寸的70%。用標度因子表示為S=0.7×，稱之為登納德標度。理想的同比例縮小是指每一代產(chǎn)品，其場效應(yīng)管溝道長、寬、柵極氧化層的厚度、結(jié)深、電源電壓、閾值電壓等都要縮小，并按照這個因子來計算。1995年，英特爾推出高性能奔騰處理器，技術(shù)節(jié)點和實際柵長均為350nm。從350nm以下，每代產(chǎn)品中該數(shù)值只是名義上的標稱數(shù)值了。實際上，CMOS結(jié)構(gòu)中多晶硅的門長度要比這個技術(shù)節(jié)點數(shù)值更小。

2011年，英特爾基于22nm工藝制作了一種四核常春藤橋處理器：“Ivy Bridger，Core i7”芯片，在160mm2上有14億個晶體管。2015年以后，有了更小的加工線條，如10nm、7nm、5nm等。比如，現(xiàn)在采用紫外光（UV）光刻、電子束曝光，甚至X射線光刻方式，可以制備小于10m以下的加工線條。技術(shù)節(jié)點的含義隨時間也在不斷發(fā)生變化。近些年，受控于各大半導(dǎo)體公司，技術(shù)節(jié)點名稱只是名稱而已，與具體的數(shù)值無太大相關(guān)性了但總的來說，與最小特征尺寸有關(guān)。對DRAM來說，光刻的線條半寬越小越好；對MPU來說，柵長越小越好。

閃存是日本東芝公司舛岡富士雄（Fujio Masuoka）于1984年發(fā)明的，是一種可移動的電可擦寫存儲介質(zhì)，結(jié)構(gòu)類似MOS管器件，在溝道和柵極之間有一個氧化絕緣包奄的多晶硅浮柵，用于存儲電荷作為信息。閃存的結(jié)構(gòu)特征尺寸已經(jīng)達到14mn。2005年，閃存的容量是2GB；2008年，16GB；2009年，32GB；2011年，64GB。2013年，128GB，包含640億個元件，已經(jīng)是當初摩爾預(yù)言的65000個元件數(shù)的100萬倍了。這個數(shù)字相當驚人。同微處理器相比，閃存不屬于電發(fā)熱器件，它只有在寫入或擦除信息的時候才消耗很少的電。因此，可以多層疊加在一起，其密度相當大。