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摩爾定律54年：創(chuàng)新的天花板如何突破？| 科學(xué)的擔(dān)當(dāng)

2019/10/04
導(dǎo)讀
耐心和好奇心是相輔相成的



前 言

科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，大部分宏觀世界的理論技術(shù)已經(jīng)被普遍應(yīng)用，核心科技推動(dòng)力已經(jīng)深入到微觀處理技術(shù)（如深納米級(jí)芯片技術(shù)、量子計(jì)算）、超高頻無(wú)線技術(shù)（如毫米波、太赫茲技術(shù)）、生物技術(shù)（如腦科學(xué)、基因技術(shù)）和太空技術(shù)（如深空探索、火星移民）。這些科技的特點(diǎn)是在日常生活中幾乎感受不到，即使是接受過(guò)高等教育、但沒有接受過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的科技工作者也難以理解其中的奧妙。
在五花八門的媒體報(bào)道、排名對(duì)比、展會(huì)競(jìng)賽的沖擊下，科技工作者如果沒有保持冷靜客觀的心態(tài)，不光是注意力和時(shí)間會(huì)被占用，而且還會(huì)產(chǎn)生莫名的對(duì)比壓力。在泛網(wǎng)絡(luò)化、泛媒體化和科技創(chuàng)新向縱深發(fā)展的新時(shí)代，我們提倡科技工作者能夠守正出奇，積極參與開放式創(chuàng)新，推動(dòng)我國(guó)科技創(chuàng)新的穩(wěn)步發(fā)展。
本文為”科學(xué)的擔(dān)當(dāng)“系列第六篇。

撰文 | 宋繼強(qiáng)（英特爾中國(guó)研究院院長(zhǎng)）
 
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在去年清華大學(xué)舉辦的慶祝集成電路發(fā)明60周年的會(huì)議上，有位院士就摩爾定律做了一個(gè)非常精彩的比喻： “與其說(shuō)摩爾定律是一個(gè)產(chǎn)業(yè)規(guī)律，不如說(shuō)摩爾定律是一面旗幟，來(lái)激勵(lì)我們堅(jiān)持不懈地推動(dòng)科技和產(chǎn)業(yè)進(jìn)步！”

的確，摩爾定律不是一條物理定律，而是一個(gè)早期通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)的行業(yè)發(fā)展規(guī)律，后來(lái)由人為力量堅(jiān)強(qiáng)推動(dòng)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)步周期。摩爾定律是由英特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出的。1965年4月19日，《電子學(xué)》雜志（Electronics Magazine）發(fā)表了摩爾（時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司工程師）撰寫的文章 “讓集成電路填滿更多的組件”，文中預(yù)言半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍。1975年，摩爾根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況對(duì)摩爾定律進(jìn)行了修正，把 “每年增加一倍” 改為 “每?jī)赡暝黾右槐丁?。所以，業(yè)界普遍流行的說(shuō)法是 “每18-24個(gè)月增加一倍”。

在摩爾定律發(fā)展的早期，集成電路上的空間利用率不高，主要通過(guò)擴(kuò)容來(lái)達(dá)到晶體管密度翻倍。但這種方法很快就達(dá)到了極限，后來(lái)幾十年主要通過(guò)晶體管微縮（scaling）來(lái)提高密度，材料、工藝、測(cè)試技術(shù)都推進(jìn)到了納米級(jí)別。

摩爾定律的發(fā)展，反映了集成電路產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有、到支撐起今天整個(gè)信息科技的大廈的過(guò)程。在這中間，靠的不是一兩個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)的技術(shù)突破，而是源源不斷的新材料、新工藝和新技術(shù)的引入，體現(xiàn)了“守正出奇”在科技創(chuàng)新中的重要性。
 
pixabay.com

1. 科技創(chuàng)新為何需要守正出奇

“守正出奇”源自《孫子兵法》，指按著常規(guī)發(fā)展，卻又不固守常規(guī)，能突破思維、出奇制勝。科學(xué)的本質(zhì)，是使主觀認(rèn)識(shí)與客觀實(shí)際實(shí)現(xiàn)具體統(tǒng)一的實(shí)踐活動(dòng)。這是一個(gè)雙向互相促進(jìn)的過(guò)程，需要人不斷地從思維和現(xiàn)實(shí)之間去思考、發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證?？茖W(xué)發(fā)展有其客觀規(guī)律，需要用實(shí)踐檢驗(yàn)理論，過(guò)程要邏輯嚴(yán)密、可重復(fù)、可證偽，不能投機(jī)取巧，不能違背原則。而人的思維創(chuàng)造性（或者說(shuō)靈感）又常常是重大突破的源泉。在科研精神方面，“守正出奇”對(duì)應(yīng)著耐心、好奇心和平常心。
 
1.1 “守正”是持續(xù)成功之母

晶體管微縮涉及很多關(guān)鍵技術(shù)，主要是解決兩個(gè)問題：一是如何制造更小的晶體管；二是當(dāng)晶體管密度增加后如何控制功耗。就像1990年，當(dāng)晶圓上的晶體管大小達(dá)到用以印刷它們的光的波長(zhǎng)（193納米）時(shí)，物理學(xué)界明確指出不能再向前推進(jìn)了。但英特爾突破了挑戰(zhàn)，用掩模圖形產(chǎn)生的干涉光柵進(jìn)行印刷，開發(fā)了計(jì)算型光刻技術(shù)和多重曝光，可以繼續(xù)微縮晶體管。在2000年以后的幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，例如2003年90nm節(jié)點(diǎn)采用應(yīng)變硅（Strained Silicon），2007年45nm節(jié)點(diǎn)采用高K金屬柵極（High-K Metal Gate），2011年的22nm節(jié)點(diǎn)采用3D晶體管（FinFET），無(wú)一例外都需要五年以上的研發(fā)和試驗(yàn)周期。當(dāng)產(chǎn)生了一個(gè)想法，就需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證它。這個(gè)過(guò)程需要極大的耐心，因?yàn)榭赡苄枰芏啻?、很長(zhǎng)時(shí)間才能完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來(lái)后，有可能是成功驗(yàn)證了想法，也有可能是失敗了。這個(gè)時(shí)候我們要有平常心，知道科學(xué)研究不可能一帆風(fēng)順，本來(lái)就是要面對(duì)可能的失敗。勝不驕、敗不餒，表現(xiàn)出從容淡定的自信心，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)不斷修正想法和實(shí)驗(yàn)，最終取得成功。

由于技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜性，即使是行業(yè)里的頂尖專家，對(duì)5年后的技術(shù)預(yù)測(cè)也未必準(zhǔn)確。而且，外界還不時(shí)有“摩爾定律走不下去了”的聲音。這時(shí)，不僅需要耐心和平常心來(lái)坦然面對(duì)試驗(yàn)中的逆境和外界的質(zhì)疑，還需要有好奇心來(lái)發(fā)現(xiàn)新的機(jī)會(huì)。

1.2 “出奇”帶來(lái)突破

我想用英特爾在45nm節(jié)點(diǎn)采用高K金屬柵極技術(shù)為例，說(shuō)明“出奇”的重要性。戈登·摩爾對(duì)這項(xiàng)創(chuàng)新給予了非常高的評(píng)價(jià)： “高K柵極介電質(zhì)+金屬柵極晶體管是自上世紀(jì)60年代晚期推出多晶硅柵極金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管以來(lái)，晶體管技術(shù)領(lǐng)域里最重大的突破?！睘槭裁茨?？

我們說(shuō)45nm制程，不是指的芯片上每個(gè)晶體管的大小，也不是指用于蝕刻芯片形成電路時(shí)采用的激光光源的波長(zhǎng)，而是指芯片上晶體管和晶體管之間導(dǎo)線連線的寬度，簡(jiǎn)稱線寬。半導(dǎo)體業(yè)界習(xí)慣上用線寬這個(gè)工藝尺寸來(lái)代表硅芯片生產(chǎn)工藝的水平。因?yàn)榫€寬越小，晶體管也越小，讓晶體管工作需要的電壓和電流就越低，晶體管開關(guān)的速度也就越快，這樣新工藝的晶體管就可以工作在更高的頻率下，隨之而來(lái)的就是芯片性能的提升。從單個(gè)晶體管的角度來(lái)看，為了延續(xù)摩爾定律，需要每?jī)赡臧丫w管的尺寸縮小到原來(lái)的一半。

65nm的工藝已經(jīng)將晶體管的組成部分做到了幾個(gè)分子和原子的厚度，組成半導(dǎo)體的材料已經(jīng)達(dá)到了它的物理電氣特性的極限。最早達(dá)到這個(gè)極限的部件是組成CMOS晶體管的柵極氧化物——柵極介電質(zhì)，當(dāng)時(shí)的工藝都是采用二氧化硅（SiO2）層作為柵極介電質(zhì)。大家把源極（Source）和漏極（Drain）之間的部分叫做溝道（Channel），在柵極氧化物上面是柵極（Gate）。晶體管的工作原理就是通過(guò)對(duì)柵極施加電壓來(lái)控制源極和漏極之間的溝道能否產(chǎn)生有效電流，從而使晶體管處于開啟或者關(guān)閉的狀態(tài)。我們可以把柵極比喻為控制水管的閥門，開啟讓水流過(guò)，關(guān)閉截止水流。晶體管的開啟/關(guān)閉的速度就是我們說(shuō)的頻率，如果主頻是1GHz，也就是晶體管可以在1秒鐘開啟和關(guān)閉的次數(shù)達(dá)10億次。

同1995年晶體管中二氧化硅層相比，65nm工藝的晶體管中的二氧化硅層已經(jīng)縮小到只有前者的十分之一，僅有5個(gè)氧原子的厚度了。作為阻隔柵極和下層的絕緣體，二氧化硅層已經(jīng)不能再進(jìn)一步縮小了，否則產(chǎn)生的漏電流會(huì)讓晶體管無(wú)法正常工作，如果提高有效工作的電壓和電流，會(huì)使芯片最后的功耗大到驚人的地步。所以，從65nm開始，我們已經(jīng)無(wú)法讓柵極介電質(zhì)繼續(xù)縮減變薄。而且到45nm，晶體管的尺寸要進(jìn)一步縮小，源極和漏極也靠得更近了。如果不能解決柵極向下的漏電問題以及源極和漏極之間的漏電問題，新一代處理器的問世可能變得遙遙無(wú)期。這個(gè)時(shí)候， “摩爾定律走到了盡頭” 的說(shuō)法不絕于耳。

現(xiàn)有材料都到物理極限了，怎么辦呢？既然繼續(xù)采用二氧化硅作為柵極介電質(zhì)沒有前途，那么就要另辟蹊徑，尋找比二氧化硅更好的 “絕緣體”，用以更好地分隔柵極和晶體管的其他部分，而且替代材料需要具有比二氧化硅更高的介電常數(shù)和更好的場(chǎng)效應(yīng)特性。一種材料應(yīng)具有良好的絕緣屬性，同時(shí)在柵極和溝道之間產(chǎn)生很好的場(chǎng)效應(yīng)——就是高K。K 其實(shí)是電子學(xué)的工程術(shù)語(yǔ)，K源于希臘文Kappa，用于衡量一種材料存儲(chǔ)電荷（正電荷或者負(fù)電子）的能力。具有高K的材料可以比其他材料更好地存儲(chǔ)電荷。

經(jīng)過(guò)對(duì)各種新材料的組合嘗試，研究人員最終找到了一種基于金屬鉿（Hafnium）的氧化物，這種材料具有高K的潛質(zhì)。不過(guò)這種材料作為新的柵極介電質(zhì)和原來(lái)的柵極的多晶硅并不兼容。又經(jīng)過(guò)了多次的試驗(yàn)和篩選，最后采用金屬代替多晶硅作為柵極材料的辦法來(lái)解決問題。這就是全新的 “高-K 柵極介電質(zhì)+金屬柵極”晶體管（介電質(zhì)也稱為介質(zhì)）。這種晶體管與前一代 “傳統(tǒng)材料” 做的晶體管相比，有質(zhì)的飛躍——源極到漏極的漏電降低80%以上，柵極氧化物介電質(zhì)漏電降低 90%以上；驅(qū)動(dòng)電流效率提升20%以上，即晶體管的性能提升20%。

好奇心是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的源泉。在不斷的創(chuàng)新過(guò)程中，正因?yàn)檠芯咳藛T跳出了原有技術(shù)和思維框架，找到了基于金屬鉿的氧化物這種具有高K潛質(zhì)的材料，才讓處理器的發(fā)展得以繼續(xù)。同時(shí)也改變了四十多年來(lái)大家對(duì)傳統(tǒng)晶體管的認(rèn)識(shí)，讓世人知道 “原來(lái)晶體管還可以這么做”。

耐心和好奇心是相輔相成的：一個(gè)守正，一個(gè)出奇，確保能找到克服難題的鑰匙。
 
2. 推動(dòng)開放式科技創(chuàng)新

在過(guò)去的六十年間，集成電路的復(fù)雜度有節(jié)奏的增長(zhǎng)。這個(gè)節(jié)奏不是一家公司推動(dòng)的，而是社會(huì)化合作的產(chǎn)物。它是人們?cè)谙胂罅Φ膯l(fā)下，依靠經(jīng)驗(yàn)提出可能性（摩爾定律），并通過(guò)全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的合作與競(jìng)爭(zhēng)來(lái)強(qiáng)化。通過(guò)學(xué)術(shù)界與公司合作、會(huì)議溝通和“技術(shù)路線圖”的有組織干預(yù)以及投入巨額研發(fā)資金和數(shù)十萬(wàn)人的努力，來(lái)推動(dòng)芯片設(shè)計(jì)制造全產(chǎn)業(yè)鏈的指數(shù)式發(fā)展。這種模式就是超出單個(gè)實(shí)驗(yàn)室、科研機(jī)構(gòu)、公司、甚至國(guó)家的開放式創(chuàng)新。例如，英特爾在22nm節(jié)點(diǎn)采用的3D晶體管技術(shù)就源自學(xué)術(shù)界提出的 FinFET（鰭式場(chǎng)效晶體管）設(shè)計(jì)。FinFET的發(fā)明人是加州大學(xué)伯克利分校的胡正明（Chenming Hu）教授，他也曾擔(dān)任過(guò)臺(tái)積電（TSMC）的CTO。

集成電路發(fā)展到今天的深納米級(jí)別，想僅靠一家公司或科研機(jī)構(gòu)之力來(lái)試驗(yàn)各種新材料、新器件和新的制程工藝都是不切實(shí)際的。毋庸置疑，美國(guó)是世界半導(dǎo)體技術(shù)的中心。在過(guò)去20年中，美國(guó)政府和行業(yè)協(xié)會(huì)緊密合作，聯(lián)合大學(xué)共同推動(dòng)技術(shù)發(fā)展。舉一個(gè)最近的例子，當(dāng)半導(dǎo)體行業(yè)由于摩爾定律放緩受到挑戰(zhàn)時(shí)，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）于2017年啟動(dòng)了 “電子復(fù)興計(jì)劃”（ERI：Electronics Resurgence Initiative），被業(yè)界譽(yù)為將開啟下一次電子革命。

ERI是一個(gè)歷時(shí)5年，總投資15億美元的研究計(jì)劃，是商業(yè)界、工業(yè)界、大學(xué)研究人員和國(guó)防部之間開展的一系列前瞻性合作項(xiàng)目，要求對(duì)微系統(tǒng)的材料、設(shè)計(jì)和架構(gòu)等采用創(chuàng)新性的新方法開展研究。該計(jì)劃主要包括由大學(xué)主導(dǎo)研究的聯(lián)合大學(xué)微電子學(xué)項(xiàng)目（JUMP）、工業(yè)界主導(dǎo)研究的 “Page 3 Investments” 以及一些傳統(tǒng)的項(xiàng)目等。

JUMP 建立了一個(gè)由 DARPA 與工業(yè)界組成的聯(lián)盟，工業(yè)界成員目前包括 IBM、英特爾、ADI、臺(tái)積電、ARM 和三星電子等。聯(lián)盟成員共同擬定 JUMP 項(xiàng)目的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，也共同為項(xiàng)目提供資金支持，邀請(qǐng)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)來(lái)聯(lián)合研究，并強(qiáng)烈鼓勵(lì)大學(xué)之間的交叉共享，以達(dá)到解決研究技術(shù)所需的深度和范圍。DARPA 將提供大約40%的資金，其他合作伙伴將共同承擔(dān)60%。

在未來(lái)的創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域，由于涉及計(jì)算、通信、人工智能、安全等多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，同樣需要多方合作的開放式創(chuàng)新。例如英特爾中國(guó)研究院的 “智能網(wǎng)聯(lián)駕駛” 和 “機(jī)器人4.0” 研究方向，都構(gòu)建了聯(lián)合多個(gè)大學(xué)、企業(yè)合作伙伴共同研發(fā)的平臺(tái)，從而加速推動(dòng)技術(shù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)。

新時(shí)代的科技創(chuàng)新的特點(diǎn)是復(fù)雜度高、跨學(xué)科交叉、周期短。我國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域基礎(chǔ)弱，但是發(fā)展速度很快，應(yīng)用前景非常廣闊。因此，我們要聚集多領(lǐng)域的人才，通過(guò)有組織的開放式創(chuàng)新讓偶然的技術(shù)突破更快速出現(xiàn)，從而使科技進(jìn)步的快節(jié)奏成為必然。


制版編輯 | 皮皮魚
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