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摩爾定律54年：創(chuàng)新的天花板如何突破？| 科學的擔當

2019/10/04
導讀
耐心和好奇心是相輔相成的



前 言

科學技術發(fā)展到今天，大部分宏觀世界的理論技術已經(jīng)被普遍應用，核心科技推動力已經(jīng)深入到微觀處理技術（如深納米級芯片技術、量子計算）、超高頻無線技術（如毫米波、太赫茲技術）、生物技術（如腦科學、基因技術）和太空技術（如深空探索、火星移民）。這些科技的特點是在日常生活中幾乎感受不到，即使是接受過高等教育、但沒有接受過專業(yè)訓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道、排名對比、展會競賽的沖擊下，科技工作者如果沒有保持冷靜客觀的心態(tài)，不光是注意力和時間會被占用，而且還會產(chǎn)生莫名的對比壓力。在泛網(wǎng)絡化、泛媒體化和科技創(chuàng)新向縱深發(fā)展的新時代，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，推動我國科技創(chuàng)新的穩(wěn)步發(fā)展。
本文為”科學的擔當“系列第六篇。

撰文 | 宋繼強（英特爾中國研究院院長）
 
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在去年清華大學舉辦的慶祝集成電路發(fā)明60周年的會議上，有位院士就摩爾定律做了一個非常精彩的比喻： “與其說摩爾定律是一個產(chǎn)業(yè)規(guī)律，不如說摩爾定律是一面旗幟，來激勵我們堅持不懈地推動科技和產(chǎn)業(yè)進步！”

的確，摩爾定律不是一條物理定律，而是一個早期通過觀察發(fā)現(xiàn)的行業(yè)發(fā)展規(guī)律，后來由人為力量堅強推動的產(chǎn)業(yè)進步周期。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》雜志（Electronics Magazine）發(fā)表了摩爾（時任仙童半導體公司工程師）撰寫的文章 “讓集成電路填滿更多的組件”，文中預言半導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)當時的實際情況對摩爾定律進行了修正，把 “每年增加一倍” 改為 “每兩年增加一倍”。所以，業(yè)界普遍流行的說法是 “每18-24個月增加一倍”。

在摩爾定律發(fā)展的早期，集成電路上的空間利用率不高，主要通過擴容來達到晶體管密度翻倍。但這種方法很快就達到了極限，后來幾十年主要通過晶體管微縮（scaling）來提高密度，材料、工藝、測試技術都推進到了納米級別。

摩爾定律的發(fā)展，反映了集成電路產(chǎn)業(yè)從無到有、到支撐起今天整個信息科技的大廈的過程。在這中間，靠的不是一兩個偶然發(fā)現(xiàn)的技術突破，而是源源不斷的新材料、新工藝和新技術的引入，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?？茖W的本質，是使主觀認識與客觀實際實現(xiàn)具體統(tǒng)一的實踐活動。這是一個雙向互相促進的過程，需要人不斷地從思維和現(xiàn)實之間去思考、發(fā)現(xiàn)和驗證。科學發(fā)展有其客觀規(guī)律，需要用實踐檢驗理論，過程要邏輯嚴密、可重復、可證偽，不能投機取巧，不能違背原則。而人的思維創(chuàng)造性（或者說靈感）又常常是重大突破的源泉。在科研精神方面，“守正出奇”對應著耐心、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鍵技術，主要是解決兩個問題：一是如何制造更小的晶體管；二是當晶體管密度增加后如何控制功耗。就像1990年，當晶圓上的晶體管大小達到用以印刷它們的光的波長（193納米）時，物理學界明確指出不能再向前推進了。但英特爾突破了挑戰(zhàn)，用掩模圖形產(chǎn)生的干涉光柵進行印刷，開發(fā)了計算型光刻技術和多重曝光，可以繼續(xù)微縮晶體管。在2000年以后的幾個關鍵節(jié)點上，例如2003年90nm節(jié)點采用應變硅（Strained Silicon），2007年45nm節(jié)點采用高K金屬柵極（High-K Metal Gate），2011年的22nm節(jié)點采用3D晶體管（FinFET），無一例外都需要五年以上的研發(fā)和試驗周期。當產(chǎn)生了一個想法，就需要設計實驗、收集數(shù)據(jù)來驗證它。這個過程需要極大的耐心，因為可能需要很多次、很長時間才能完成實驗。實驗結果出來后，有可能是成功驗證了想法，也有可能是失敗了。這個時候我們要有平常心，知道科學研究不可能一帆風順，本來就是要面對可能的失敗。勝不驕、敗不餒，表現(xiàn)出從容淡定的自信心，根據(jù)實驗結果，通過不斷修正想法和實驗，最終取得成功。

由于技術領域的復雜性，即使是行業(yè)里的頂尖專家，對5年后的技術預測也未必準確。而且，外界還不時有“摩爾定律走不下去了”的聲音。這時，不僅需要耐心和平常心來坦然面對試驗中的逆境和外界的質疑，還需要有好奇心來發(fā)現(xiàn)新的機會。

1.2 “出奇”帶來突破

我想用英特爾在45nm節(jié)點采用高K金屬柵極技術為例，說明“出奇”的重要性。戈登·摩爾對這項創(chuàng)新給予了非常高的評價： “高K柵極介電質+金屬柵極晶體管是自上世紀60年代晚期推出多晶硅柵極金屬氧化物半導體（MOS）晶體管以來，晶體管技術領域里最重大的突破?！睘槭裁茨?？

我們說45nm制程，不是指的芯片上每個晶體管的大小，也不是指用于蝕刻芯片形成電路時采用的激光光源的波長，而是指芯片上晶體管和晶體管之間導線連線的寬度，簡稱線寬。半導體業(yè)界習慣上用線寬這個工藝尺寸來代表硅芯片生產(chǎn)工藝的水平。因為線寬越小，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，隨之而來的就是芯片性能的提升。從單個晶體管的角度來看，為了延續(xù)摩爾定律，需要每兩年把晶體管的尺寸縮小到原來的一半。

65nm的工藝已經(jīng)將晶體管的組成部分做到了幾個分子和原子的厚度，組成半導體的材料已經(jīng)達到了它的物理電氣特性的極限。最早達到這個極限的部件是組成CMOS晶體管的柵極氧化物——柵極介電質，當時的工藝都是采用二氧化硅（SiO2）層作為柵極介電質。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對柵極施加電壓來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，關閉截止水流。晶體管的開啟/關閉的速度就是我們說的頻率，如果主頻是1GHz，也就是晶體管可以在1秒鐘開啟和關閉的次數(shù)達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)不能再進一步縮小了，否則產(chǎn)生的漏電流會讓晶體管無法正常工作，如果提高有效工作的電壓和電流，會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)無法讓柵極介電質繼續(xù)縮減變薄。而且到45nm，晶體管的尺寸要進一步縮小，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期。這個時候， “摩爾定律走到了盡頭” 的說法不絕于耳。

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)和更好的場效應特性。一種材料應具有良好的絕緣屬性，同時在柵極和溝道之間產(chǎn)生很好的場效應——就是高K。K 其實是電子學的工程術語，K源于希臘文Kappa，用于衡量一種材料存儲電荷（正電荷或者負電子）的能力。具有高K的材料可以比其他材料更好地存儲電荷。

經(jīng)過對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。不過這種材料作為新的柵極介電質和原來的柵極的多晶硅并不兼容。又經(jīng)過了多次的試驗和篩選，最后采用金屬代替多晶硅作為柵極材料的辦法來解決問題。這就是全新的 “高-K 柵極介電質+金屬柵極”晶體管（介電質也稱為介質）。這種晶體管與前一代 “傳統(tǒng)材料” 做的晶體管相比，有質的飛躍——源極到漏極的漏電降低80%以上，柵極氧化物介電質漏電降低 90%以上；驅動電流效率提升20%以上，即晶體管的性能提升20%。

好奇心是科學發(fā)現(xiàn)的源泉。在不斷的創(chuàng)新過程中，正因為研究人員跳出了原有技術和思維框架，找到了基于金屬鉿的氧化物這種具有高K潛質的材料，才讓處理器的發(fā)展得以繼續(xù)。同時也改變了四十多年來大家對傳統(tǒng)晶體管的認識，讓世人知道 “原來晶體管還可以這么做”。

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

在過去的六十年間，集成電路的復雜度有節(jié)奏的增長。這個節(jié)奏不是一家公司推動的，而是社會化合作的產(chǎn)物。它是人們在想象力的啟發(fā)下，依靠經(jīng)驗提出可能性（摩爾定律），并通過全球半導體產(chǎn)業(yè)的合作與競爭來強化。通過學術界與公司合作、會議溝通和“技術路線圖”的有組織干預以及投入巨額研發(fā)資金和數(shù)十萬人的努力，來推動芯片設計制造全產(chǎn)業(yè)鏈的指數(shù)式發(fā)展。這種模式就是超出單個實驗室、科研機構、公司、甚至國家的開放式創(chuàng)新。例如，英特爾在22nm節(jié)點采用的3D晶體管技術就源自學術界提出的 FinFET（鰭式場效晶體管）設計。FinFET的發(fā)明人是加州大學伯克利分校的胡正明（Chenming Hu）教授，他也曾擔任過臺積電（TSMC）的CTO。

集成電路發(fā)展到今天的深納米級別，想僅靠一家公司或科研機構之力來試驗各種新材料、新器件和新的制程工藝都是不切實際的。毋庸置疑，美國是世界半導體技術的中心。在過去20年中，美國政府和行業(yè)協(xié)會緊密合作，聯(lián)合大學共同推動技術發(fā)展。舉一個最近的例子，當半導體行業(yè)由于摩爾定律放緩受到挑戰(zhàn)時，美國國防高級研究計劃局（DARPA）于2017年啟動了 “電子復興計劃”（ERI：Electronics Resurgence Initiative），被業(yè)界譽為將開啟下一次電子革命。

ERI是一個歷時5年，總投資15億美元的研究計劃，是商業(yè)界、工業(yè)界、大學研究人員和國防部之間開展的一系列前瞻性合作項目，要求對微系統(tǒng)的材料、設計和架構等采用創(chuàng)新性的新方法開展研究。該計劃主要包括由大學主導研究的聯(lián)合大學微電子學項目（JUMP）、工業(yè)界主導研究的 “Page 3 Investments” 以及一些傳統(tǒng)的項目等。

JUMP 建立了一個由 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、臺積電、ARM 和三星電子等。聯(lián)盟成員共同擬定 JUMP 項目的重點研究領域，也共同為項目提供資金支持，邀請大學的研究團隊來聯(lián)合研究，并強烈鼓勵大學之間的交叉共享，以達到解決研究技術所需的深度和范圍。DARPA 將提供大約40%的資金，其他合作伙伴將共同承擔60%。

在未來的創(chuàng)新應用領域，由于涉及計算、通信、人工智能、安全等多領域的前沿技術，同樣需要多方合作的開放式創(chuàng)新。例如英特爾中國研究院的 “智能網(wǎng)聯(lián)駕駛” 和 “機器人4.0” 研究方向，都構建了聯(lián)合多個大學、企業(yè)合作伙伴共同研發(fā)的平臺，從而加速推動技術發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)建設。

新時代的科技創(chuàng)新的特點是復雜度高、跨學科交叉、周期短。我國在半導體領域基礎弱，但是發(fā)展速度很快，應用前景非常廣闊。因此，我們要聚集多領域的人才，通過有組織的開放式創(chuàng)新讓偶然的技術突破更快速出現(xiàn)，從而使科技進步的快節(jié)奏成為必然。


制版編輯 | 皮皮魚
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