英特爾宣布其研究人員預(yù)見(jiàn)到一種通過(guò)改進(jìn)封裝和厚度僅為三個(gè)原子的材料層使芯片密度提高 10 倍的方法。這可能為到 2030 年在芯片封裝上放置一萬(wàn)億個(gè)晶體管鋪平道路。

英特爾展示了可以使摩爾定律走上正軌的進(jìn)步。（圖片來(lái)源：英特爾）

摩爾定律應(yīng)該已經(jīng)死了。芯片不應(yīng)該變得更好，至少不會(huì)通過(guò)傳統(tǒng)的制造進(jìn)步。在晶體管發(fā)明 75 周年之際，這是一個(gè)令人沮喪的想法。早在 1965 年，英特爾名譽(yù)董事長(zhǎng)戈登摩爾就預(yù)測(cè)，芯片上的元件或晶體管數(shù)量每隔幾年就會(huì)翻一番。

該法律持續(xù)了幾十年。芯片變得更快、更高效。芯片制造商縮小了芯片的尺寸，結(jié)果是好的。微型芯片中的電子行進(jìn)距離更短。所以芯片變得更快了。更短的距離意味著芯片使用的材料更少，從而使其更便宜。因此，摩爾定律的穩(wěn)步推進(jìn)意味著芯片可以同時(shí)變得更快、更便宜，甚至更省電。

但摩爾定律確實(shí)依賴于杰出的人類工程師提出更好的芯片設(shè)計(jì)和持續(xù)的制造小型化。近年來(lái)，取得這些進(jìn)展變得越來(lái)越困難。芯片設(shè)計(jì)符合物理定律。有了幾個(gè)原子厚的原子層，就不可能再收縮了。因此，英偉達(dá)首席執(zhí)行官黃仁勛最近表示，“摩爾定律已死?！?/p>

英特爾展示了它如何制造具有復(fù)雜互連封裝的芯片。

這不是個(gè)好時(shí)機(jī)，因?yàn)槲覀冋_始構(gòu)建元宇宙。摩爾定律對(duì)于滿足世界永無(wú)止境的計(jì)算需求至關(guān)重要，因?yàn)榧ぴ龅臄?shù)據(jù)消費(fèi)和對(duì)人工智能 (AI) 增長(zhǎng)的推動(dòng)帶來(lái)了有史以來(lái)最大的需求加速。

在 Nvidia 首席執(zhí)行官發(fā)表上述言論一周后，英特爾首席執(zhí)行官帕特·基辛格 (Pat Gelsinger) 表示，摩爾定律仍然有效。這并不奇怪，因?yàn)樗呀?jīng)在美國(guó)的新芯片制造廠投資了數(shù)百億美元。不過(guò)，他的研究人員在國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議上支持他。英特爾明確表示，這些進(jìn)步可能需要五到十年的時(shí)間。

在研究活動(dòng)的論文中，英特爾描述了在未來(lái)十年內(nèi)將摩爾定律保持在封裝上一萬(wàn)億個(gè)晶體管的軌道上的突破。英特爾元器件研究總監(jiān)兼高級(jí)首席工程師 Paul Fischer 在新聞發(fā)布會(huì)上表示，在 IEDM 上，英特爾研究人員展示了 3D 封裝技術(shù)的進(jìn)步，密度提高了 10 倍。

“我們的使命是讓我們的工藝技術(shù)選擇更加豐富和完整，”他說(shuō)。

這些包最近以創(chuàng)新的方式使用；英特爾的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 Advanced Micro Devices 宣布其最新的圖形芯片有一個(gè)處理器芯片和六個(gè)內(nèi)存芯片——所有這些芯片都連接在一個(gè)封裝中。英特爾表示，它與政府實(shí)體、大學(xué)、行業(yè)研究人員和芯片設(shè)備公司合作。英特爾在 IEDM 活動(dòng)等場(chǎng)所分享研究成果。

英特爾還推出了超越 RibbonFET 的新型二維晶體管材料，包括只有三個(gè)原子厚的超薄材料。它還描述了用于更高性能計(jì)算的能源效率和內(nèi)存的新可能性；和量子計(jì)算的進(jìn)步。

“自晶體管發(fā)明 75 年以來(lái)，推動(dòng)摩爾定律的創(chuàng)新繼續(xù)滿足世界對(duì)計(jì)算的呈指數(shù)增長(zhǎng)的需求，”英特爾組件研究和設(shè)計(jì)支持副總裁 Gary Patton 在一份聲明中說(shuō)。“在 IEDM 2022 上，英特爾展示了突破當(dāng)前和未來(lái)障礙所需的前瞻性和具體研究進(jìn)展，滿足這種永無(wú)止境的需求，并在未來(lái)幾年保持摩爾定律的活力?！?/p>

晶體管迎來(lái)75周年生日

芯片電路之間的層厚度可以低至三個(gè)原子。

為紀(jì)念晶體管問(wèn)世 75 周年，英特爾執(zhí)行副總裁兼技術(shù)開發(fā)總經(jīng)理 Ann Kelleher 將主持 IEDM 的全體會(huì)議。Kelleher 將概述持續(xù)行業(yè)創(chuàng)新的前進(jìn)道路——圍繞基于系統(tǒng)的戰(zhàn)略凝聚生態(tài)系統(tǒng)，以滿足世界對(duì)計(jì)算日益增長(zhǎng)的需求，并更有效地創(chuàng)新以摩爾定律的步伐前進(jìn)。

會(huì)議主題為“慶祝晶體管問(wèn)世 75 周年！看看摩爾定律創(chuàng)新的演變，”于太平洋標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 12 月 5 日上午 9:45 舉行。

為了取得所需的進(jìn)步，英特爾采取了多管齊下的方法，即“在英特爾內(nèi)部的影響力越來(lái)越大，影響力越來(lái)越大”，以跨越多個(gè)學(xué)科。

Fischer 說(shuō)，英特爾必須在芯片材料、芯片制造設(shè)備、設(shè)計(jì)和封裝方面取得進(jìn)展。

他說(shuō)：“3D 封裝技術(shù)正在實(shí)現(xiàn)小芯片的無(wú)縫集成，”或封裝中的多個(gè)芯片?！拔覀冋谀：杞Y(jié)束和封裝開始之間的界限。”

持續(xù)創(chuàng)新是摩爾定律的基石。在過(guò)去二十年中，個(gè)人電腦、圖形處理器和數(shù)據(jù)中心的許多關(guān)鍵創(chuàng)新里程碑（包括應(yīng)變硅、Hi-K 金屬柵極和 FinFET）的持續(xù)功率、性能和成本改進(jìn)都始于英特爾的組件研究小組。

進(jìn)一步的研究，包括 RibbonFET 環(huán)柵 (GAA) 晶體管、PowerVia 背面功率傳輸技術(shù)以及 EMIB 和 Foveros Direct 等封裝突破，都在今天的路線圖上。

在 IEDM 2022 上，英特爾的組件研究小組表示正在開發(fā)新的 3D 混合鍵合封裝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)小芯片的無(wú)縫集成；超薄二維材料，可將更多晶體管裝入單個(gè)芯片；以及用于更高性能計(jì)算的能源效率和內(nèi)存的新可能性。

?

?

英特爾將如何做？

?

?

英特爾預(yù)見(jiàn)到對(duì)計(jì)算能力的巨大需求。

研究人員已經(jīng)確定了模糊封裝和硅之間界限的新材料和新工藝。英特爾表示，它預(yù)計(jì)將從今天的芯片上數(shù)百億個(gè)晶體管發(fā)展到一個(gè)封裝上的萬(wàn)億晶體管，其中可以包含很多芯片。

取得進(jìn)步的一種方法是通過(guò)封裝實(shí)現(xiàn)額外 10 倍的互連密度，從而形成準(zhǔn)單片芯片。英特爾的材料創(chuàng)新還確定了實(shí)用的設(shè)計(jì)選擇，這些選擇可以使用僅三個(gè)原子厚的新型材料滿足晶體管縮放的要求，從而使公司能夠繼續(xù)擴(kuò)展到 RibbonFET 之外。

英特爾在 IEDM 2022 上展示的最新混合鍵合研究表明，與英特爾在 IEDM 2021 上的研究展示相比，功率和性能密度又提高了 10 倍。

持續(xù)的混合鍵合縮放到三納米間距可實(shí)現(xiàn)與單片系統(tǒng)級(jí)芯片連接相似的互連密度和帶寬。一納米是十億分之一米。

英特爾表示，它正在尋找超薄“2D”材料，以便將更多晶體管安裝到單個(gè)芯片上。英特爾展示了一種環(huán)柵堆疊納米片結(jié)構(gòu)，它使用只有三個(gè)原子厚的薄二維通道，同時(shí)在室溫下以低漏電流實(shí)現(xiàn)了雙柵結(jié)構(gòu)上晶體管近乎理想的開關(guān)。

這是堆疊 GAA 晶體管和超越硅的基本限制所需的兩個(gè)關(guān)鍵突破。

研究人員還揭示了對(duì)二維材料的電接觸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的首次綜合分析，這可以進(jìn)一步為高性能和可擴(kuò)展的晶體管通道鋪平道路。

為了更有效地利用芯片面積，英特爾通過(guò)開發(fā)可垂直放置在晶體管上方的內(nèi)存來(lái)重新定義縮放比例。英特爾率先展示了堆疊式鐵電電容器，其性能與傳統(tǒng)鐵電溝槽電容器的性能相匹配，可用于在邏輯芯片上構(gòu)建 FeRAM。

業(yè)界首創(chuàng)的器件級(jí)模型可捕獲改進(jìn)的鐵電氧化鉿器件的混合相和缺陷，標(biāo)志著英特爾在支持行業(yè)工具開發(fā)新型存儲(chǔ)器和鐵電晶體管方面取得了重大進(jìn)展。

英特爾通過(guò)多種方法找到了通往萬(wàn)億晶體管芯片的道路。

英特爾正在為 300 毫米硅基 GaN 晶圓打造一條可行的道路，讓世界離超越 5G 更近一步并解決能效挑戰(zhàn)。英特爾在這一領(lǐng)域的突破表明，增益是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) GaN 的 20 倍，并創(chuàng)下了高性能功率傳輸?shù)男袠I(yè)記錄。

英特爾正在超級(jí)節(jié)能技術(shù)方面取得突破，特別是不會(huì)忘記的晶體管，即使在電源關(guān)閉時(shí)也能保留數(shù)據(jù)。英特爾研究人員已經(jīng)打破了阻礙該技術(shù)在室溫下完全可行和運(yùn)行的三個(gè)障礙中的兩個(gè)。

英特爾繼續(xù)在物理學(xué)中引入新概念，并在為量子計(jì)算提供更好的量子比特方面取得突破。英特爾研究人員致力于通過(guò)更好地了解各種可能作為影響量子數(shù)據(jù)的環(huán)境干擾的界面缺陷來(lái)尋找更好的方法來(lái)存儲(chǔ)量子信息。

編輯：黃飛