芯片破壁者（六.下）：摩爾定律的新世紀變局與無限火力

摩爾定律的第一次續(xù)命，成功拉開了半導體產業(yè)的激烈競爭。

當時的產業(yè)邏輯是，制程領先的企業(yè)很容易獲得市場份額和規(guī)模優(yōu)勢，進而讓落后者無利可圖。

但這種高速發(fā)展不斷撞上了新的天花板，摩爾定律也迎來了自己的第二次“被死亡”。

第二次續(xù)命：從 2D 到 3D，一杯名為技術的“美式咖啡”

20 世紀 90 年代中期，在 IBM 研究所工作的劉易斯·特曼（Lewis Terman）宣稱，摩爾定律的終結就在眼前。

原因很簡單，進一步縮小晶體管尺寸再一次迎來技術瓶頸。

當時，半導體行業(yè)開始用激光作為光源在硅晶圓平面上制造晶體管和集成電路，當波長從 365 nm 降低到 248 nm，晶體管尺寸也逐漸逼近 100nm。隨著組件尺寸變小，當晶體管處于“關閉”狀態(tài)時，電流很容易泄漏出來這會造成芯片的額外損耗。

2000 年，全世界研究者都在研究如何讓更短波長的微影蝕刻成功，延長干式機臺的壽命。臺積電在此時殺出，與 ASML 共同完成開發(fā)全球第一臺潤式微影機臺，采用 193 波長曝光的“濕式”機臺量產 45nm 制程，一時間引人矚目，將半導體制程從 45nm 向前推進，讓摩爾定律得以延續(xù)。

很快，大家都覺得這已經到硅芯片的極限了，摩爾定律再次失效，半導體產業(yè)的黃金年代也即將結束。

于是在 2002 年 11 月，英特爾股票被美林證券將降級 , 從 “中立”降為 “賣出”, 股價再次應聲而落。

美國對于這種情況也十分擔憂，國防高級研究計劃局（DARPA）還啟動了一個名為“25nm 開關（25-nm Switch）”的計劃，試圖提升芯片容納晶體管數目的上限。

讓英特爾及 “摩爾定律”繼續(xù)引領行業(yè)的，是一位華人。

加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學教授的胡正明，由于美國在能源領域的學術撥款緊縮，轉向參加企業(yè)項目，開始挑戰(zhàn)半導體領域的難題。

（FinFET 發(fā)明者胡正明）

既然晶體管尺寸無法再縮小，提升密度能不能同時保證技術和成本效益呢？按照這一思路，胡正明提出了鰭式場效晶體管（FinFET，F(xiàn)in Field-effect transistor）方案。

以前，整個芯片基本上是平坦的，而胡正明則一改此前元器件和電路都在芯片表面一層的 CMOS 晶體管工藝理念，改為用垂直方法鋪設電流通道。

在硅基底上方垂直布設細傳導通道，傳導通道像鯊魚鰭一樣排列，柵極可以三面環(huán)繞通道，而不是僅僅位于通道上方。

（FinFET 工藝結構特點）

這種方式不僅能很好地接通和斷開電路兩側的電流，使柵極能夠更好地控制電子流動，從而大大降低了芯片漏電率高的問題，還利用垂直空間，大幅地縮短了晶體管之間的閘長。

晶體管尺寸發(fā)展到 25nm 以下后，F(xiàn)inFET 方案發(fā)揮了巨大的作用。

不過，F(xiàn)inFET 的工藝制造過程較為復雜，英特爾 2002 年起投入 3D 晶體管的研發(fā)，2011 才開始利用 FinFET 方案正式批量生產晶體管，22nm 的酷睿處理器三代就使用的 FinFET 工藝。

隨后，各大半導體廠商也開始轉進到 FinFET 工藝之中，臺積電 16nm、10nm，三星 14nm、10nm 以及格羅方德的 14nm 等等，都是在 FinFET 工藝支撐下實現(xiàn)的。

3D 晶體管時代的開啟，又一次將摩爾定律推后了數年。

“摩爾定律”的舒坦日子還沒過多久，新的催命符又來了。

國際半導體技術發(fā)展路線圖更新后大家發(fā)現(xiàn)，增長在 2013 年年底又放緩了。

進入三維結構之后，芯片工藝無法嚴格按照既定的路線升級制程工藝。各個半導體廠商的產品創(chuàng)新屢屢被用戶吐槽“擠牙膏”，AMD 停留在 28nm 多年，英特爾在 14nm 節(jié)點區(qū)分出“14nm、14nm+、14nm++”三種制式更被引為笑談。

看起來，摩爾定律似乎在 14nm 節(jié)點上又一次無路可走了，接下來怎么辦？

一個來自于哈勃太空望遠鏡，為美蘇“星球大戰(zhàn)”計劃而開發(fā)的技術——EUV，開始在產業(yè)界登場。

（EUV 原理）

此前，英特爾用超微深紫外線（DUV，Deep Ultra Violet）技術制造出了為數不多的 30nm 晶體管樣品。隨后，研究人員又將下一步研究放在了大規(guī)模采用極紫外線刻蝕技術（EUV）來進行生產上。

2012 年，英特爾、三星和臺積電（TSMC）為 ASML 的下一代光蝕刻技術募集了 13.8 億歐元的研發(fā)經費，其中有 4000 名專注 EUV 項目的員工。

有意思的是，盡管英特爾很早就在布局 EUV 技術，但最早推出 EUV 制造的 7nm 芯片樣品的，卻是 IBM。

當時，《紐約時報》以《IBM Announces Computer Chips More Powerful than Any in Existence》（IBM 發(fā)布了比現(xiàn)有任何一種產品都強大的計算芯片）為題報道了此事，有些媒體更直言“IBM 打了英特爾的臉”。

不過，EUV 光刻技術采用 13.5nm 長的極紫外光作為光源，對光照強度、能耗效率和精度等都有極高要求。因此，盡管其研發(fā)始于 20 世紀 80 年代，但達到晶圓廠量產光刻所需要的技術指標和產能要求，卻摸索了很長一段時間，以至于在此期間，摩爾定律不斷被挑釁。

2017 年的 GTC 技術大會上，GPU 芯片廠商 NVIDIA 英偉達甚至提出要靠 GPU 開啟 AI 時代的計算新紀元。其 CEO 黃仁勛聲稱，摩爾定律已經終結，依靠圖形處理器推動半導體行業(yè)發(fā)展才是正道，而尋找更強大的 CPU 則應該讓出主導地位。

以前，摩爾定律強調性能可以“一力降十會”，而英偉達認為，賦予晶體管智慧比力量更加重要。

對此，摩爾接受《紐約時報》專訪時表示，如果良好的工程技術得到應用，那么摩爾定律仍可以堅持 5 到 10 年時間。

摩爾定律的變緩，給了 EUV 足夠的時間迎頭趕上這根救命稻草，終于在近些年成功落地。

2016 年后，EUV 光刻機開始投入晶圓廠，用于研發(fā)和小批量試產。隨后，三星、臺積電、英特爾等都爭先恐后地將 EUV 投入芯片量產，中芯國際斥資 1.2 億美元買入 EUV 光刻機的新聞也見諸報頭。

用 ASML（阿斯麥）研發(fā)副總裁 Anthony Yen 的話來說，EUV 光刻是目前唯一能夠處理 7nm 和更先進工藝的設備，并被廣泛看做是突破摩爾定律瓶頸的最關鍵武器。

但成本，依然是困擾摩爾定律的難題。目前建設一個 7nm 工廠需要投資 150 億美元，5nm 工廠將需要 300 億美元，而 3nm 理論上是 600 億美元。

最后如何在終端市場上將成本順利攤銷，加上復雜國際政治局勢的干擾，對三星、臺積電等半導體廠商來說都是一件風險極大的事。

不難看出，在 EUV 為核心的戰(zhàn)場上，芯片廠商與代工廠的競爭已經告一段落，更上游的半導體材料廠商、光刻機設備廠商，甚至學術界、產業(yè)界的工藝創(chuàng)新，開始加入其中，成為拯救摩爾定律不可或缺的參與力量。

比如新的封裝技術。像是 Chiplet 小芯片系統(tǒng)封裝技術，就可以促進芯片集成、降低研發(fā)成本、提高成品率，被認為是擴展摩爾定律有效性的另一種武器。

據說，臺積電最新的 3D SoIC 封裝技術將于 2021 年進入批量生產，促進高性能芯片的成本效益。

再比如尋找硅材料的替代品。利用新型材料做出分子大小的電路，也能使芯片性能變得更強大。在半導體發(fā)展歷程中，元素周期表上的各種可能都被廣泛嘗試過。

華為任正非就曾公開表示，石墨烯有潛力顛覆硅時代。英特爾也宣布，在達到 7 納米工藝之后，將不再使用硅材料。光刻膠等半導體材料的創(chuàng)新，也在推動摩爾定律的持續(xù)演進。

（英特爾對半導體工藝的進展預期）

也有人提出了“More than Moore”（超越摩爾定律）路線，通過改變基礎的晶體管結構、各類型電路兼容工藝、先進封裝等多種技術，共同發(fā)力來延續(xù)半導體行業(yè)的發(fā)展，而不再局限于縮小晶體管特征尺寸所帶來的推動力。

總而言之，摩爾定律何時觸頂或未可知，但半導體行業(yè)的進步永不終結，而圍繞產業(yè)規(guī)律展開的商業(yè)競爭與硝煙也會繼續(xù)延綿不休。

（超越摩爾定律：多樣化）

回望摩爾定律的一次次驚險續(xù)命，不難發(fā)現(xiàn)，盡管其很多假設都會隨著時代變化而變得不再適用，但半導體產業(yè)的特殊之處卻決定了它頑強的生命力。

一方面，摩爾定律督促著技術工程師們不斷挑戰(zhàn)極限，聚焦于難題上，以盡可能地挖掘硅部件的潛力，作為“硅谷的節(jié)拍器”，摩爾定律在讓行業(yè)走上巔峰的時候，也成為了產業(yè)的基本法。

而每當行業(yè)發(fā)生本質變化的時候，摩爾定律也會隨之得到修正和改變，使其始終保持著一定的準確度。

此外，即使全行業(yè)都在摩爾定律之下展開激烈競爭，但這并不意味著標新立異沒有意義，用不同的生產、工藝、材料等等方式尋求更快的發(fā)展，自控式企業(yè)也更容易抓住機會，打破固有的市場格局脫穎而出。

當然，在摩爾定律的感召下，科學家、工程師、投資方，甚至曾經的競爭者，也有可能形成共同體，在同一理想的支撐下大膽投入高風險的研發(fā)活動。

從日本半導體廠商的逆襲、英特爾的多年輝煌、英偉達的豪橫發(fā)言等身上，會發(fā)現(xiàn)正是摩爾定律的文化隱喻，讓產業(yè)的發(fā)展速率變得不可預測，也格外精彩。

這也是為什么，我們會追尋摩爾定律“起死回生”的歷史瞬間。因為它不僅對半導體行業(yè)的變化趨勢十分重要，更是技術軌道和預言的重要范例。

半個多世紀以來，摩爾定律本身已經改變，但其文化內核卻始終不變，只是以更廣闊、更強大的方式與我們再次觸碰。