摩尔定律,一个芯片永远绕不开的定律,任何关于半导体未来的讨论很可能都会从摩尔定律开始,而它在最近几年遭受越来越多的争议。
2010年代中后期,业界就曾多次预测“摩尔定律已死”,让这句话真正传开的是英伟达CEO黄仁勋。2022年9月,黄仁勋宣称摩尔定律已死,又在其后的两年内不断用“超越摩尔定律”的说法来衬托自己产品。英特尔CEO Pat Gelsinger同期进行了多次回应,表示摩尔定律还活着且发展很好。
事实上,摩尔定律这个“金科玉律”的生命远没有结束。有专家也曾经计算过,摩尔定律也许还能持续100年,英特尔的Mark Bohr也曾经表示,摩尔定律至少还有10年时间。
是预测,不是物理规则
在探究之前,必须要先从深层了解摩尔定律。
摩尔定律发迹于英特尔公司联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore),他于1965年应邀在《电子》杂志上发表了一篇题为《在集成电路上容纳更多组件》(Cramming More Components onto Integrated Circuits)的四页短文。
在半导体发展的早期,戈登·摩尔便准确预测了,芯片的算力将大幅增长,而相对成本将呈指数级下降。在这篇文章中,他提出,在未来十年内,芯片上的晶体管数量将每年翻一番。1965-1975年半导体技术的发展情况印证了他的预测。
1975年,他将他的预测修订为芯片上的晶体管数量将每两年翻一番,而成本只会略有增加,这就是摩尔定律。
在此之后,戈登·摩尔并没有放弃对摩尔定律的审视,1985年、1995年又继续对摩尔定律复盘,证明几十年来,预测都对了。
后来,他评论道:“我们无法预测未来会发生什么,这只是一个幸运的猜测。”
所以说,摩尔定律是戈登·摩尔对半导体技术的观察和对未来发展的预测,而非物理定律或自然规律,就是说所谓的“5nm、3nm、2nm”并不和物理尺度挂钩,所以英特尔才会把制程节点改名。此外,也没有预测过计算机性能呈指数级增长,这些正是被人误解所在。
技术推动的摩尔定律
正因为是预测,所以不确定性是不可避免的。反观过去的历史,每个节点都是一次技术障碍的突破。
2015年戈登·摩尔曾表示:“摩尔定律不会永远有效,但如果良好的工程技术得到应用,那么摩尔定律仍可以坚持5到10年时间。”
可以说,是英特尔在内的半导体公司的不懈努力下,让摩尔定律继续延续下去的。
正如帕特·基辛格说过的:“在穷尽元素周期表之前,摩尔定律都不会失效,英特尔将持续利用硅的神奇力量不断推进创新。”
目前,单个设备中的晶体管数量达到数十亿个,英特尔预计,到2030年,单个封装中集成的晶体管数量将达到一万亿。这一增长节奏仍然符合摩尔定律。
英特尔与摩尔定律的故事
摩尔定律发迹于英特尔,所以英特尔也是最积极的推进者。
40多年来,英特尔工程师不断创新,将越来越多的晶体管整合到更小的芯片上,持续推进摩尔定律。
到2000年代后期,随着物理尺寸不断缩小,业界意识到需要其他领域的创新以跟上摩尔定律的步伐,包括材料科学、新的制程架构和设计工艺协同优化(DTCO)。这些都是英特尔一直以来的发力点。
二十年前,当芯片上的特征缩小到原子级别大小时,英特尔的工程师和科学家努力克服着物理层面的新挑战。许多里程碑式的创新,如应变硅(strained silicon)、Hi-K金属栅极(Hi-K metal gate)和FinFET晶体管,都出自英特尔。
到2010年代,封装的主要作用还是在主板和芯片之间传输电源和信号,并保护芯片。从引线键合技术和引线框架封装,到陶瓷基板上的倒装芯片技术,再到对有机基板的采用和多芯片封装的引入,彼时的每一次演进都增加了连接数量。这些连接能支持芯片中的更多功能,而这也是摩尔定律微缩所需的。
此处可以看出其中的关键,推进摩尔定律并非只有制程工艺,封装、架构等方面均是摩尔定律的载体。
面向未来,英特尔也会通过制程、封装和组件研究等前沿领域的创新,继续推进摩尔定律。
三个制程节点背后的技术
对英特尔这几年来说,Intel 20A、Intel 18A和Intel 14A三个制程节点至关重要。这是因为这几个节点宣告英特尔正式步入埃米时代,越来越逼近工艺瓶颈。从现在来看,英特尔达到这个制程节点的速度最快。
对于这三个制程节点来说,架构、背面供电、EUV封装是四大核心技术。
架构方面,自Intel 20A开始,英特尔将采用全新的晶体管架构——RibbonFET全环绕栅极(GAA)晶体管,它代表了英特尔自FinFET以来的首个全新晶体管架构。这项技术的优势在于:
在RibbonFET晶体管中,栅极能够更好地控制电流的流通,同时在任意电压下提供更强的驱动电流,让晶体管开关的速度更快,从而提升晶体管的性能。
RibbonFET晶体管架构的水平沟道可以垂直堆叠,而不是像FinFET一样只能将鳍片并排放置,因此能够以更小的空间实现相同的性能,从而推动晶体管尺寸的进一步微缩。
RibbonFET还将进一步提升芯片设计的灵活性,其沟道可以根据需求加宽或缩窄,从而更适配不同的应用场景。
背面供电方面,自Intel 20A开始,英特尔将采用PowerVia背面供电技术。顾名思义,就是将晶体管架构中的电源线和信号线放在背面,解决 “抢占”晶圆内的同一块空间的问题。通过在结构上将这两者的布线分开,可提高芯片性能和能效。
背面供电非常重要,它可使芯片设计公司在不牺牲资源的同时提高晶体管密度,进而显著地提高功率和性能。不过,作为一种向晶体管供电的全新方式,背面供电技术也会带来了散热和调试设计方面的全新挑战。
通过将PowerVia与RibbonFET这两项技术的研发分开进行,英特尔能够迅速应对上述挑战,确保能在基于Intel 20A和Intel 18A制程节点的芯片中实现PowerVia技术。英特尔开发了散热技术,以避免过热问题的出现。
在PowerVia技术的测试结果中,芯片大部分区域的标准单元利用率都超过90%,同时单元密度也大幅增加,可望降低成本。测试还显示,PowerVia将平台电压(platform voltage)降低了30%,并实现了6%的频率增益(frequency benefit)。PowerVia测试芯片也展示了良好的散热特性,符合逻辑微缩预期将实现的更高功率密度。
众所周知,英特尔是第一家采购最先进EUV光刻机的企业。而英特尔也将在Intel 14A节点采用High NA EUV(高数值孔径极紫外光刻)技术。
High NA EUV技术是EUV技术的进一步发展。数值孔径(NA)是衡量收集和集中光线能力的指标。通过升级将掩膜上的电路图形反射到硅晶圆上的光学系统,High NA EUV光刻技术能够大幅提高分辨率,从而有助于晶体管的进一步微缩。
封装方面,EMIB(嵌入式多芯片互连桥接)2.5D先进封装技术、Foveros 3D先进封装与Chiplet(小芯片)技术都是英特尔的招牌。
在埃米时代,英特尔的封装技术会新增两项技术:一是铜与铜的混合键合(Hybrid Bonding),下一代Foveros技术Foveros Direct将会用这项技术取代会影响数据传输速度的焊接,把凸点间距继续降低到10微米以下,并将大幅提高芯片互连密度和带宽,及降低电阻。
另一个是玻璃基板,英特尔宣布在业内率先推出用于下一代先进封装的玻璃基板,与目前采用的有机基板相比,玻璃具有独特的性能,如超低平面度(flatness)、更好的热稳定性和机械稳定性,从而能够大幅提高基板上的互连密度。这些优势将使芯片架构师能够为AI等数据密集型工作负载打造高密度、高性能的芯片封装。英特尔有望在未来几年内向市场提供完整的玻璃基板解决方案,从而使整个行业在2030年之后继续推进摩尔定律。
关于摩尔定律的研究,还在继续
为了达到摩尔定律所定的目标,任何一环都至关重要。英特尔则认为,摩尔定律的下一波浪潮将依靠名为系统工艺协同优化(system technology co-optimization, STCO)的发展理念。
摩尔定律关乎功能集成度的提升,展望未来10到20年,英特尔表示,可以看到一条充满创新潜力的道路,将延续每两年改进一次产品的节奏,其中将包括半导体制程和设计的常规发展,但系统工艺协同优化会发挥最大作用。
在摩尔定律的探索路上,英特尔从来没有停歇,这既包括组件方面的研究,也包括,就包括3D堆叠CMOS晶体管、背面供电技术、硅和氮化镓在300毫米晶圆上的集成、基于金属二硫属化物(TMD, Transition metal dichalcogenide)2D通道材料的晶体管、可垂直放置在晶体管上方的堆叠型铁电电容器、神经拟态计算、量子计算等。
目前看,英特尔的“四年五个制程节点”计划进展顺利,这便是对摩尔定律继续延续最大的回应。