·2022年，集成電路半導(dǎo)體行業(yè)最熱的頭條是“EDA被全面封鎖”。如何突破EDA封鎖，成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵詞，也是群體焦慮。在全球市場(chǎng)，有人比喻EDA是“芯片之母”，如果沒有了芯片，工業(yè)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步將處處受制，EDA的重要性也上升到了戰(zhàn)略性高度。盡管國(guó)際封鎖形勢(shì)嚴(yán)峻，但睿智的中國(guó)科技人擅于把危機(jī)化為機(jī)會(huì)，從《加快自主研發(fā)應(yīng)用，讓工業(yè)軟件不再卡脖子》，到《破解科技卡脖子要打好三張牌》，即一要打好“基礎(chǔ)牌”，提升基礎(chǔ)創(chuàng)新能力；二要打好“應(yīng)用牌”，加強(qiáng)對(duì)高精尖國(guó)貨的應(yīng)用；三是要打好“人才牌”，讓人才留得住、用得上、有發(fā)展……，各種政策、舉措和實(shí)際行動(dòng)，處處彰顯了我們中國(guó)科技的發(fā)展韌性。

談起集成電路，黃發(fā)垂髫，言必及摩爾定律，如果以兩個(gè)字來概括摩爾定律，那必然就是“微縮”。

我們希望集成電路進(jìn)行微縮后，其器件的性能還能夠得以保持。這樣就可以保證電路的設(shè)計(jì)基本不變，只從工藝進(jìn)步的角度，即可以得到非常大的改進(jìn)。

圖:MOSFET特征尺寸的縮小。來自Mahmoud Darwish，Memristive Behavior In Vanadium Dioxide Elements: Simulation And Modeling

我們假設(shè)器件的所有線性尺寸都按S例收縮，如下圖所示。S因子是一個(gè)大于1的數(shù)，代表了收縮的倍數(shù)。

器件按S因子縮小示意圖。來自《CMOS數(shù)字集成電路——分析與設(shè)計(jì)（第四版）》

一般而言，每一代集成電路工藝在尺寸上縮減至上一代的0.7倍（即S因子1.428），表現(xiàn)在面積上，就是0.7的平方，0.49倍。即面積比原來小一半，密度比原來高一倍。

器件尺寸減小有兩種基本的類型：全收縮（也稱為恒場(chǎng)強(qiáng)等比例收縮）和恒電壓等比例收縮。

全收縮

所謂全收縮，即器件所有的幾何線全部收縮。同時(shí)要求器件內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度不變。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，所有的電壓都需要保持同一個(gè)收縮因子減小，而摻雜濃度要求以S因子擴(kuò)大。

我們假設(shè)材料的特性（遷移率，介電常數(shù)）不隨收縮而變化。很容易得出，柵電容密度會(huì)相比收縮前增大S倍

則代入公式可以得到：

即電流也會(huì)按S因子縮小。

由于功率是電流與電壓的乘積，而電流與電壓都按S因子縮小，因此功率P會(huì)按S的平方縮小。這是全收縮最突出的優(yōu)點(diǎn)，即功率顯著地縮小。而考慮到面積也是按S的平方縮小，即單位面積的功率不變。

由于面積按S的平方減小，而電容密度則按S增大。因此實(shí)際的電容會(huì)按S縮小。這意味著與電容相關(guān)的延遲都會(huì)減小?？偟膩碚f，全收縮下芯片的功耗顯著降低，而性能有所提高。

恒電壓按比例收縮

全收縮方式看上去擁有各種優(yōu)勢(shì)，但是它要求電壓也按比例縮小在大多數(shù)情況下是難以實(shí)現(xiàn)的。這往往代表了芯片驅(qū)動(dòng)能力的減弱。尤其是需要與其它相關(guān)器件配套使用的芯片，如果電壓下降過多，則意味著無法驅(qū)動(dòng)LED燈點(diǎn)亮或者輸出電平太低，讓耳機(jī)聲音弱到類似于“蚊子叫”。因此我們需要保持電壓不變，同時(shí)為了保持電場(chǎng)不變。摻雜濃度需要以S的平方減小。在這種條件下，相應(yīng)的電流也會(huì)增大S倍，由于電壓不變，功率會(huì)隨電流增大S倍。

另一方面，器件的面積按S的平方縮小，所以功率密度會(huì)達(dá)到S的立方。這是一個(gè)非常大的增加，因此需要考慮器件的熱效應(yīng)。如此大的功率密度可能會(huì)導(dǎo)致器件劇烈升溫，進(jìn)而導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿，材料性能的熱退化等等問題。

在集成電路的微米時(shí)代，材料的性質(zhì)一般不會(huì)隨尺寸的變化發(fā)生較大的改變，器件的散熱條件，摻雜的濃度都有較大的余量。因此比較容易按照全收縮或者恒電壓收縮的方式進(jìn)行。只要光刻設(shè)備能夠刻畫出相應(yīng)的圖形，后續(xù)的工藝也比較容易實(shí)現(xiàn)。一切都來得自然而高效，這也被稱為Happy Scaling Era。而進(jìn)入到納米時(shí)代之后，就不那么happy了，需要更多更復(fù)雜的技術(shù)來推動(dòng)器件進(jìn)一步縮小。且等下次探索來分解。

編輯：黃飛

?