編者按 “十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要提出，要強(qiáng)化國(guó)家戰(zhàn)略科技力量，加強(qiáng)原創(chuàng)性引領(lǐng)性科技攻關(guān)，其中特別提到集成電路領(lǐng)域的技術(shù)研究。
據(jù)此，本版推出集成電路系列報(bào)道，關(guān)注集成電路領(lǐng)域的最新進(jìn)展和研究展望。
3月末，蔚來汽車宣布因芯片短缺暫停生產(chǎn)5天，這一公告引起社會(huì)熱議。不僅是汽車，如今我們的生活已經(jīng)離不開芯片，隨著芯片在日常生活中占據(jù)的位置日益重要，其升級(jí)也受到越來越廣泛的關(guān)注。
提到芯片的發(fā)展升級(jí)，就不得不提起大名鼎鼎的摩爾定律。1965年4月，《電子學(xué)》（Electronics）雜志上發(fā)表了一篇對(duì)電子行業(yè)進(jìn)行預(yù)期的文章，提出微處理器運(yùn)算能力每12到18個(gè)月提高一倍，或者說是芯片從設(shè)計(jì)到制造過程中，工藝進(jìn)步使得集成度翻倍，成本減半。
摩爾定律提出50年后，提出者戈登·摩爾在接受采訪時(shí)吐露心聲：這只是一個(gè)大膽推測(cè)。“但后來這個(gè)推論不斷驅(qū)動(dòng)和主宰半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，我也就心安理得了。”
幾十年來，一直有“摩爾定律不久就會(huì)失效”的聲音，但時(shí)至今日，它仍顛撲不破。集成電路發(fā)展取得突破的新消息仍舊不斷傳來，繼5納米后，3納米芯片已在量產(chǎn)途中。與其說戈登·摩爾做出了大膽的預(yù)測(cè)，不如說他給半導(dǎo)體行業(yè)做出了不斷前進(jìn)的“小目標(biāo)”。
是預(yù)測(cè)，更是小目標(biāo)
我們可以將集成電路想象成在硅片上的“微雕”，即在硅圓晶上雕刻亭臺(tái)樓閣、立交路網(wǎng)甚至整個(gè)城市，只不過所用的“刻刀”是光。
為什么當(dāng)下集成電路領(lǐng)域的少數(shù)企業(yè)能夠形成壟斷？例如光刻機(jī)荷蘭阿斯麥爾獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，芯片制程臺(tái)積電一騎絕塵。
它們其實(shí)并不是一開始就領(lǐng)跑的。“日本的光刻機(jī)其實(shí)在這個(gè)行業(yè)里稱霸了幾十年，但當(dāng)極紫外光刻到達(dá)某個(gè)程度，由于資金和人力成本投入太高，日本的產(chǎn)業(yè)做出了一個(gè)預(yù)判，花更大成本獲得更高精度的芯片可能很難得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用，因此對(duì)投入產(chǎn)出比的判斷使他們放緩了對(duì)更高精度光刻機(jī)的研制。” 中國(guó)科學(xué)院微電子研究所研究員周玉梅告訴科技日?qǐng)?bào)記者，而荷蘭做光刻機(jī)的團(tuán)隊(duì)執(zhí)著地認(rèn)為技術(shù)能夠一點(diǎn)點(diǎn)往前推進(jìn)，在不斷推進(jìn)的過程中，一些大企業(yè)加入合作，如臺(tái)積電即在前期進(jìn)入、投入，共同研發(fā)。
合作使得新的技術(shù)極限很快獲得突破。
正是由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不同位置的企業(yè)、團(tuán)隊(duì)的共同推進(jìn)和成果共享，突破極限的芯片被成功應(yīng)用，摩爾定律也因此可以繼續(xù)向前推進(jìn)。
雖然在推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遵循摩爾定律的過程中，很多企業(yè)的投入成為“炮灰”，但從人類挑戰(zhàn)微觀世界極限的角度來看，它們非常值得尊重。
二十多年前，極紫外光刻等技術(shù)路線尚在探索中。據(jù)記載，1997年業(yè)內(nèi)就預(yù)測(cè)2006年芯片特征尺寸將縮小到100納米，而100納米是一種挑戰(zhàn)，因?yàn)橹圃煨∮?00納米線寬的集成電路時(shí)，光源波長(zhǎng)將大于其特征尺寸，常規(guī)的光學(xué)光刻工藝失靈，為此必須尋找一種完全嶄新的光刻工藝。世界各大半導(dǎo)體公司、大學(xué)和研究所那時(shí)都努力探索研究這種新工藝，如英特爾公司領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合體采用光源為氙氣的特別紫外線光刻，其波長(zhǎng)小于10納米；IBM公司采用X射線光刻，其波長(zhǎng)為5納米；美國(guó)得克薩斯大學(xué)和美國(guó)半導(dǎo)體制造技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟聯(lián)合采用紫外線光刻刻出80納米圖形，同時(shí)采用特殊的刻蝕石英掩膜，朗訊公司采用電子束光刻……這些方法復(fù)雜、昂貴，需要大批量生產(chǎn)考驗(yàn)。
當(dāng)然，最終經(jīng)受住考驗(yàn)的那個(gè)結(jié)果我們這個(gè)年代的人已經(jīng)知曉，但在當(dāng)時(shí)為了實(shí)現(xiàn)突破極限、按照摩爾定律推進(jìn)的“小目標(biāo)”，整個(gè)產(chǎn)業(yè)都勇立在原始創(chuàng)新的潮頭。
不同環(huán)節(jié)共同推進(jìn)技術(shù)發(fā)展
在硅晶上“微雕”一個(gè)縮微城市，讓每個(gè)電子都帶著正確的指令飛奔，當(dāng)然不會(huì)是光刻機(jī)“獨(dú)挑大梁”。
單就芯片的制造設(shè)備來說，從大類分包括光刻機(jī)、清洗設(shè)備、薄膜生長(zhǎng)設(shè)備、高溫固化設(shè)備、刻蝕設(shè)備等。而從整個(gè)生產(chǎn)鏈條看，材料、設(shè)計(jì)、軟件、元器件等都是這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上不可或缺的環(huán)節(jié)。例如在細(xì)線條的光刻機(jī)上已經(jīng)鮮有聲音的日本，在集成電路制作的專用材料上仍占據(jù)重要位置。而美國(guó)在芯片設(shè)計(jì)軟件、設(shè)計(jì)技術(shù)方面是領(lǐng)先的。
芯片不斷突破極限的發(fā)展就是在這個(gè)鏈條上的不同環(huán)節(jié)上不斷地打破瓶頸。例如，自2005年至今，隨著晶體管密度越來越大，晶體管電路逐漸接近性能極限，當(dāng)晶體管越做越小時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電子等微觀粒子通過量子隧道效應(yīng)穿越位勢(shì)壘的行為，使晶體管出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。
工程師們正在努力地攻克這些瓶頸，他們創(chuàng)新性地突破了一些難題，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，遇到的問題也會(huì)越來越復(fù)雜。
如在元器件方面，2020年12月17日，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院發(fā)布消息，該院周鵬教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)具有重大需求的3—5納米節(jié)點(diǎn)晶體管技術(shù)，驗(yàn)證了雙層溝道厚度分別為0.6/1.2納米的圍柵多橋溝道晶體管（GAA，Gate All Around），實(shí)現(xiàn)了高驅(qū)動(dòng)電流和低泄漏電流的融合統(tǒng)一，為高性能低功耗電子器件的發(fā)展提供了新的技術(shù)途徑。
據(jù)悉，GAA晶體管有望取代現(xiàn)在集成電路上使用的FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管），有望解決微縮提升性能難以為繼的問題。韓國(guó)三星和臺(tái)積電均已掌握了這一項(xiàng)技術(shù)，或?qū)⒂迷?納米或2納米芯片中。
而在芯片基材方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓杰才院士團(tuán)隊(duì)，與香港城市大學(xué)、美國(guó)麻省理工學(xué)院等單位合作，在金剛石單晶領(lǐng)域取得重大科研突破。相關(guān)研究成果“微納金剛石單晶的超大均勻拉伸彈性”2021年1月在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。除了金剛石芯片之外，人們還在探索石墨烯作為芯片的基材。
再比如光刻機(jī)光源方面，清華大學(xué)及合作研究團(tuán)隊(duì)2月25日在《自然》上發(fā)表的論文展示了一種新型粒子加速器光源原理。《自然》
維持摩爾定律的“動(dòng)力”在哪里
關(guān)于摩爾定律極限的問題，戈登·摩爾引用了史蒂芬·霍金在硅谷回答同樣問題時(shí)的言論：“他提出了兩個(gè)技術(shù)極限，即光的極限速度和物質(zhì)的原子本質(zhì)。我非常同意他的觀點(diǎn)。我們目前已經(jīng)很接近‘原子’極限（原子的直徑在0.01納米到0.1納米之間），而芯片的運(yùn)行速度也越來越快，但離光速還很遠(yuǎn)。這兩個(gè)都是最基本的自然法則，我們很難達(dá)到和超越這個(gè)極限。這也是未來幾十年里工程師們需要接受的挑戰(zhàn)。”
那么究竟是什么動(dòng)力，讓整個(gè)產(chǎn)業(yè)持續(xù)創(chuàng)新，共同推動(dòng)技術(shù)逼近自然極限？
市場(chǎng)無疑是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原創(chuàng)動(dòng)力——
3月1日國(guó)新辦新聞發(fā)布會(huì)上，工業(yè)和信息化部黨組成員、總工程師、新聞發(fā)言人田玉龍介紹，2020年我國(guó)集成電路銷售收入達(dá)8848億元，平均增長(zhǎng)率達(dá)20%，為同期全球集成電路產(chǎn)業(yè)增速的3倍。
集成電路產(chǎn)業(yè)不僅“蛋糕”大，而且“未來可期”，甚至可能會(huì)有“彎道超車”的機(jī)會(huì)。
“5G通訊可能會(huì)帶來新一波的需求，除5G通信本身的需求需要不同芯片，5G的應(yīng)用也會(huì)帶來新的需求，如物聯(lián)網(wǎng)等。”周玉梅分析，“人工智能走向普及化也對(duì)適用于人工智能的芯片產(chǎn)生更多需求，人工智能與5G的疊加也可能衍生出更多的新應(yīng)用，對(duì)于這些預(yù)判，業(yè)內(nèi)認(rèn)為集成電路仍舊會(huì)是一個(gè)蓬勃發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。”
正是有了這樣的預(yù)判，全球的資本才愿意繼續(xù)追逐技術(shù)的創(chuàng)新，不斷地往前推進(jìn)。
那么，究竟摩爾定律到什么時(shí)候真正“失效”？戈登·摩爾也被無數(shù)次地問及這一問題。
他認(rèn)為，現(xiàn)在還有其他技術(shù)蘊(yùn)含的發(fā)展?jié)摿赡軙?huì)超過集成電路，例如納米產(chǎn)品、石墨氮原子層等新材料等。他猜測(cè)當(dāng)攻克某個(gè)技術(shù)難題付出的成本太高，技術(shù)創(chuàng)新本身意義不大，進(jìn)一步縮小元件尺寸所需的設(shè)備的造價(jià)非常昂貴時(shí)，摩爾定律可能會(huì)逐步退出歷史舞臺(tái)。但人們消費(fèi)電子產(chǎn)品的方式不會(huì)有很大變化。當(dāng)人們的思路跟不上技術(shù)發(fā)展時(shí)，他們會(huì)選擇停止追逐新功能，不會(huì)再追潮流每年購(gòu)置新產(chǎn)品，而是把舊產(chǎn)品用上三五年，企業(yè)也會(huì)放緩發(fā)展新技術(shù)的腳步。
