為什么說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。從芯片的制造來看，7nm就是硅材料芯片的物理極限。不過據(jù)外媒報(bào)道，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的一個團(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?面對美國的技術(shù)突破，中國應(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)體場效應(yīng)晶體管柵極的寬度，也被稱為柵長。

　　柵長越短，則可以在相同尺寸的硅片上集成更多的晶體管——Intel曾經(jīng)宣稱將柵長從130nm減小到90nm時，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。

　　柵長可以分為光刻柵長和實(shí)際柵長，光刻柵長則是由光刻技術(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，因此會導(dǎo)致光刻柵長和實(shí)際柵長不一致的情況。另外，同樣的制程工藝下，實(shí)際柵長也會不一樣，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)際柵長和Intel的14nm制程芯片的實(shí)際柵長依然有一定差距。

　　為什么說7nm是物理極限?

　　之前解釋了縮短晶體管柵極的長度可以使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。不過這種做法也會使電子移動的距離縮短，容易導(dǎo)致晶體管內(nèi)部電子自發(fā)通過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，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)個原子層厚的二氧化硅絕緣層會變得更薄進(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。

　　為了解決漏電問題，Intel、IBM等公司可謂八仙過海，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集成電路以解決漏電問題;IBM開發(fā)出SOI技術(shù)——在在源極和漏極埋下一層強(qiáng)電介質(zhì)膜來解決漏電問題;此外，還有鰭式場效電晶體技術(shù)——借由增加絕緣層的表面積來增加電容值，降低漏電流以達(dá)到防止發(fā)生電子躍遷的目的......

　　上述做法在柵長大于7nm的時候一定程度上能有效解決漏電問題。不過，在采用現(xiàn)有芯片材料的基礎(chǔ)上，晶體管柵長一旦低于7nm，晶體管中的電子就很容易產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，為芯片的制造帶來巨大的挑戰(zhàn)。針對這一問題，尋找新的材料來替代硅制作7nm以下的晶體管則是一個有效的解決之法。

　　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，軸向尺寸為微米級，管的兩端一般都封口，因此它有很大的強(qiáng)度，同時巨大的長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)合材料在超級電容器、太陽能電池、顯示器、生物檢測、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)制作光電開關(guān)、摻雜金屬顆粒制作場致發(fā)射裝置。本次外媒報(bào)道的勞倫斯伯克利國家實(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，目前還沒有商業(yè)化量產(chǎn)的能力。至于該項(xiàng)技術(shù)將來是否會成為主流商用技術(shù)，還有待時間檢驗(yàn)。

　　技術(shù)進(jìn)步并不一定帶來商業(yè)利益

　　在過去幾十年中，由于摩爾定律在確實(shí)發(fā)揮作用，使中國半導(dǎo)體制造技術(shù)在追趕西方的過程中始終被國外拉出一段距離。而近年來，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，對于中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)追趕西方來說是一大利好。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。不過，在制造工藝達(dá)到14/16nm之后，技術(shù)的進(jìn)步反而會使芯片的成本有所上升——在Intel最先研發(fā)出14nm制造工藝時，曾有消息稱其掩膜成本為3億美元。當(dāng)然，隨著時間的推移和臺積電、三星掌握14/16nm制程，現(xiàn)在的價格應(yīng)該不會這么貴。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，但由于過于高昂的掩膜成本，會使客戶在選擇采用最先進(jìn)制造工藝時三思而后行，舉例來說，如果10nm制造工藝芯片的產(chǎn)量低于1000萬片，那么光分?jǐn)偟矫恳黄酒系难谀こ杀揪透哌_(dá)100美元，按國際通用的低盈利芯片設(shè)計(jì)公司的定價策略8：20定價法——也就是硬件成本為8的情況下，定價為20，別覺得這個定價高，其實(shí)已經(jīng)很低了，Intel一般定價策略為8：35，AMD歷史上曾達(dá)到過8：50......即便不算晶片成本和封測成本，這款10nm CPU的售價也不會低于250美元。同時，相對較少的客戶會導(dǎo)致很難用巨大的產(chǎn)量分?jǐn)偝杀?，并最終使企業(yè)放緩對先進(jìn)制造工藝的開發(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，而且依舊會被持續(xù)使用數(shù)年。

　　中國應(yīng)腳踏實(shí)地解決現(xiàn)實(shí)問題

　　對于勞倫斯伯克利國家實(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，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，這會使采用該技術(shù)生產(chǎn)的芯片價格居高不下，這又會導(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)公司恐怕依舊會選擇相對成熟，或者稱為相對“老舊”的制造工藝。

　　對于現(xiàn)在的中國半導(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庫和實(shí)現(xiàn)14nm制造工藝的商業(yè)化量產(chǎn)。畢竟，對于國防安全領(lǐng)域而言，現(xiàn)有的制造工藝已完全夠用(美國的很多軍用芯片都還是65nm的)，對于商業(yè)芯片而言，很多芯片對制程的要求并不高，像工控芯片、汽車電子、射頻等都在使用在一些硬件發(fā)燒友看起來顯得老舊的制程，而對于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)問題。