為什么說(shuō)7nm是物理極限？如何看待晶體管制程從14nm縮減到了1nm？

　　適用了20余年的摩爾定律近年逐漸有了失靈的跡象。從芯片的制造來(lái)看，7nm就是硅材料芯片的物理極限。不過(guò)據(jù)外媒報(bào)道，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)打破了物理極限，采用碳納米管復(fù)合材料將現(xiàn)有最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm。那么，為何說(shuō)7nm就是硅材料芯片的物理極限，碳納米管復(fù)合材料又是怎么一回事呢?面對(duì)美國(guó)的技術(shù)突破，中國(guó)應(yīng)該怎么做呢?

　　XX nm制造工藝是什么概念?

　　芯片的制造工藝常常用90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm來(lái)表示，比如Intel最新的六代酷睿系列CPU就采用Intel自家的14nm制造工藝?，F(xiàn)在的CPU內(nèi)集成了以億為單位的晶體管，這種晶體管由源極、漏極和位于他們之間的柵極所組成，電流從源極流入漏極，柵極則起到控制電流通斷的作用。

　　而所謂的XX nm其實(shí)指的是，CPU的上形成的互補(bǔ)氧化物金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極的寬度，也被稱為柵長(zhǎng)。

　　柵長(zhǎng)越短，則可以在相同尺寸的硅片上集成更多的晶體管——Intel曾經(jīng)宣稱將柵長(zhǎng)從130nm減小到90nm時(shí)，晶體管所占得面積將減小一半;在芯片晶體管集成度相當(dāng)?shù)那闆r下，使用更先進(jìn)的制造工藝，芯片的面積和功耗就越小，成本也越低。

　　柵長(zhǎng)可以分為光刻?hào)砰L(zhǎng)和實(shí)際柵長(zhǎng)，光刻?hào)砰L(zhǎng)則是由光刻技術(shù)所決定的。由于在光刻中光存在衍射現(xiàn)象以及芯片制造中還要經(jīng)歷離子注入、蝕刻、等離子沖洗、熱處理等步驟，因此會(huì)導(dǎo)致光刻?hào)砰L(zhǎng)和實(shí)際柵長(zhǎng)不一致的情況。另外，同樣的制程工藝下，實(shí)際柵長(zhǎng)也會(huì)不一樣，比如雖然三星也推出了14nm制程工藝的芯片，但其芯片的實(shí)際柵長(zhǎng)和Intel的14nm制程芯片的實(shí)際柵長(zhǎng)依然有一定差距。

　　為什么說(shuō)7nm是物理極限?

　　之前解釋了縮短晶體管柵極的長(zhǎng)度可以使CPU集成更多的晶體管或者有效減少晶體管的面積和功耗，并削減CPU的硅片成本。正是因此，CPU生產(chǎn)廠商不遺余力地減小晶體管柵極寬度，以提高在單位面積上所集成的晶體管數(shù)量。不過(guò)這種做法也會(huì)使電子移動(dòng)的距離縮短，容易導(dǎo)致晶體管內(nèi)部電子自發(fā)通過(guò)晶體管通道的硅底板進(jìn)行的從負(fù)極流向正極的運(yùn)動(dòng)，也就是漏電。而且隨著芯片中晶體管數(shù)量增加，原本僅數(shù)個(gè)原子層厚的二氧化硅絕緣層會(huì)變得更薄進(jìn)而導(dǎo)致泄漏更多電子，隨后泄漏的電流又增加了芯片額外的功耗。

　　為了解決漏電問(wèn)題，Intel、IBM等公司可謂八仙過(guò)海，各顯神通。比如Intel在其制造工藝中融合了高介電薄膜和金屬門(mén)集成電路以解決漏電問(wèn)題;IBM開(kāi)發(fā)出SOI技術(shù)——在在源極和漏極埋下一層強(qiáng)電介質(zhì)膜來(lái)解決漏電問(wèn)題;此外，還有鰭式場(chǎng)效電晶體技術(shù)——借由增加絕緣層的表面積來(lái)增加電容值，降低漏電流以達(dá)到防止發(fā)生電子躍遷的目的......

　　上述做法在柵長(zhǎng)大于7nm的時(shí)候一定程度上能有效解決漏電問(wèn)題。不過(guò)，在采用現(xiàn)有芯片材料的基礎(chǔ)上，晶體管柵長(zhǎng)一旦低于7nm，晶體管中的電子就很容易產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，為芯片的制造帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問(wèn)題，尋找新的材料來(lái)替代硅制作7nm以下的晶體管則是一個(gè)有效的解決之法。

　　1nm制程晶體管還處于處于實(shí)驗(yàn)室階段

　　碳納米管和近年來(lái)非?；鸨氖┯幸欢?lián)系，零維富勒烯、一維碳納米管、二維石墨烯都屬于碳納米材料家族，并且彼此之間滿足一定條件后可以在形式上轉(zhuǎn)化。碳納米管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維材料，它的徑向尺寸可達(dá)到納米級(jí)，軸向尺寸為微米級(jí)，管的兩端一般都封口，因此它有很大的強(qiáng)度，同時(shí)巨大的長(zhǎng)徑比有望使其制作成韌性極好的碳纖維。

　　碳納米管和石墨烯在電學(xué)和力學(xué)等方面有著相似的性質(zhì)，有較好的導(dǎo)電性、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性，這使碳納米管復(fù)合材料在超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池、顯示器、生物檢測(cè)、燃料電池等方面有著良好的應(yīng)用前景。此外，摻雜一些改性劑的碳納米管復(fù)合材料也受到人們的廣泛關(guān)注，例如在石墨烯/碳納米管復(fù)合電極上添加CdTe量子點(diǎn)制作光電開(kāi)關(guān)、摻雜金屬顆粒制作場(chǎng)致發(fā)射裝置。本次外媒報(bào)道的勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將現(xiàn)有最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm，其晶體管就是由碳納米管摻雜二硫化鉬制作而成。不過(guò)這一技術(shù)成果僅僅處于實(shí)驗(yàn)室技術(shù)突破的階段，目前還沒(méi)有商業(yè)化量產(chǎn)的能力。至于該項(xiàng)技術(shù)將來(lái)是否會(huì)成為主流商用技術(shù)，還有待時(shí)間檢驗(yàn)。

　　技術(shù)進(jìn)步并不一定帶來(lái)商業(yè)利益

　　在過(guò)去幾十年中，由于摩爾定律在確實(shí)發(fā)揮作用，使中國(guó)半導(dǎo)體制造技術(shù)在追趕西方的過(guò)程中始終被國(guó)外拉出一段距離。而近年來(lái)，芯片制造技術(shù)進(jìn)步放慢，摩爾定律出現(xiàn)失效的客觀現(xiàn)象，對(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)追趕西方來(lái)說(shuō)是一大利好。摩爾定律失效，一方面既有技術(shù)因素——先進(jìn)光刻機(jī)、刻蝕機(jī)等設(shè)備以及先進(jìn)芯片制造技術(shù)研發(fā)技術(shù)難度大、資金要求高......另一方面也有商業(yè)上的因素。

　　在制造工藝到達(dá)28nm以前，制造工藝的每一次進(jìn)步都能使芯片制造廠商獲得巨額利潤(rùn)。不過(guò)，在制造工藝達(dá)到14/16nm之后，技術(shù)的進(jìn)步反而會(huì)使芯片的成本有所上升——在Intel最先研發(fā)出14nm制造工藝時(shí)，曾有消息稱其掩膜成本為3億美元。當(dāng)然，隨著時(shí)間的推移和臺(tái)積電、三星掌握14/16nm制程，現(xiàn)在的價(jià)格應(yīng)該不會(huì)這么貴。但英特爾正在研發(fā)的10nm制程，根據(jù)Intel官方估算，掩膜成本至少需要10億美元。新制造工藝之所以貴，一方面是貴在新工藝高昂的研發(fā)成本和偏低的成品率，另一方面也是因?yàn)楣饪虣C(jī)、刻蝕機(jī)等設(shè)備的價(jià)格異常昂貴。因此，即便先進(jìn)制造工藝在技術(shù)上成熟了，但由于過(guò)于高昂的掩膜成本，會(huì)使客戶在選擇采用最先進(jìn)制造工藝時(shí)三思而后行，舉例來(lái)說(shuō)，如果10nm制造工藝芯片的產(chǎn)量低于1000萬(wàn)片，那么光分?jǐn)偟矫恳黄酒系难谀こ杀揪透哌_(dá)100美元，按國(guó)際通用的低盈利芯片設(shè)計(jì)公司的定價(jià)策略8：20定價(jià)法——也就是硬件成本為8的情況下，定價(jià)為20，別覺(jué)得這個(gè)定價(jià)高，其實(shí)已經(jīng)很低了，Intel一般定價(jià)策略為8：35，AMD歷史上曾達(dá)到過(guò)8：50......即便不算晶片成本和封測(cè)成本，這款10nm CPU的售價(jià)也不會(huì)低于250美元。同時(shí)，相對(duì)較少的客戶會(huì)導(dǎo)致很難用巨大的產(chǎn)量分?jǐn)偝杀?，并最終使企業(yè)放緩對(duì)先進(jìn)制造工藝的開(kāi)發(fā)和商業(yè)應(yīng)用。也正是因此，28nm制造工藝被部分業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是非常有活力的，而且依舊會(huì)被持續(xù)使用數(shù)年。

　　中國(guó)應(yīng)腳踏實(shí)地解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題

　　對(duì)于勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將現(xiàn)有最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm，國(guó)人不必將其看得太重，因?yàn)檫@僅僅是一項(xiàng)在實(shí)驗(yàn)室中的技術(shù)突破，哪怕退一步說(shuō)，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟且可以商業(yè)化，由于其在商業(yè)化上的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Intel正在研發(fā)的10nm制造工藝——其成本將高昂地?zé)o以復(fù)加，這會(huì)使采用該技術(shù)生產(chǎn)的芯片價(jià)格居高不下，這又會(huì)導(dǎo)致較少客戶選擇該項(xiàng)技術(shù)，進(jìn)而惡性循環(huán)......從商業(yè)因素考慮，大部分IC設(shè)計(jì)公司恐怕依舊會(huì)選擇相對(duì)成熟，或者稱為相對(duì)“老舊”的制造工藝。

　　對(duì)于現(xiàn)在的中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，與其花費(fèi)巨大人力物力財(cái)力去探索突破7nm物理極限，還不如將有限的人力物力財(cái)力用于完善28nm制程工藝的IP庫(kù)和實(shí)現(xiàn)14nm制造工藝的商業(yè)化量產(chǎn)。畢竟，對(duì)于國(guó)防安全領(lǐng)域而言，現(xiàn)有的制造工藝已完全夠用(美國(guó)的很多軍用芯片都還是65nm的)，對(duì)于商業(yè)芯片而言，很多芯片對(duì)制程的要求并不高，像工控芯片、汽車(chē)電子、射頻等都在使用在一些硬件發(fā)燒友看起來(lái)顯得老舊的制程，而對(duì)于PC和手機(jī)、平板電腦的CPU、GPU而言，14nm/16nm的制造工藝已經(jīng)能將性能和功耗方面的需求平衡的很好。筆者認(rèn)為，相對(duì)于耗費(fèi)大量資源去研發(fā)新材料突破7nm物理極限，還不如腳踏實(shí)地地解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。