摩爾定律發(fā)表至今已逾50個(gè)年頭，半導(dǎo)體業(yè)在先進(jìn)制程研發(fā)上遇到的挑戰(zhàn)日 英特爾（Intel）技術(shù)制造部副總裁白鵬（Peng Bai）（圖1）近日來(lái)臺(tái)參加2016年VLSI技術(shù)研討會(huì)，并針對(duì)摩爾定律（Moore‘s Law）的過(guò)去、現(xiàn)在與未來(lái)發(fā)表開(kāi)幕演說(shuō)，分享英特爾的觀點(diǎn)。雖然摩爾定律是否能繼續(xù)延續(xù)下去，近年來(lái)始終在業(yè)界激起正反兩面的討論，但從英特爾的評(píng)估資料看來(lái)，摩爾定律未來(lái)還能延續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間。

　　圖1　英特爾技術(shù)制造部副總裁白鵬表示，摩爾定律確實(shí)面臨不少考驗(yàn)，然未來(lái)仍有突破契機(jī)。

　　摩爾定律即將失效？　白鵬認(rèn)為言之過(guò)早

　　白鵬指出，過(guò)去十多年來(lái)，摩爾定律即將失效的說(shuō)法經(jīng)常引發(fā)熱烈討論，但各界對(duì)于摩爾定律的意涵常常是各自表述。摩爾定律在1975年提出時(shí)，指的是半導(dǎo)體業(yè)界每隔18~24個(gè)月就能將晶片上整合的電晶體數(shù)量增加1倍。因此，在晶片設(shè)計(jì)不變的情況下，晶片的生產(chǎn)成本將會(huì)因面積縮小而隨之降低，或是可以用類(lèi)似的生產(chǎn)成本生產(chǎn)出功能更強(qiáng)的晶片。

　　從晶片生產(chǎn)成本的角度來(lái)看，摩爾定律其實(shí)并沒(méi)有讓半導(dǎo)體業(yè)界失望。到目前為止，每一代新制程的單一電晶體生產(chǎn)成本（Cost Per Transistor， CPT）還是按照摩爾定律所預(yù)言的軌跡下跌。值得注意的是，英特爾所談的CPT不包含制程研發(fā)、晶片設(shè)計(jì)等成本，但這些成本也正隨著制程精進(jìn)而不斷增加。

　　白鵬認(rèn)為，等到新制程的CPT仍維持在前一代制程的89%以上，也就是新制程能帶來(lái)的CPT降低效果不到11%時(shí)，再來(lái)宣稱摩爾定律已經(jīng)失效，或許比較合理。

　　目前新制程所能帶來(lái)的CPT縮減效果還在3～4成之間，這也是為何英特爾始終不認(rèn)為摩爾定律已經(jīng)走到盡頭的原因。

　　展望未來(lái)，半導(dǎo)體業(yè)界持續(xù)在先進(jìn)制程上投資，還是能創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

　　英特爾內(nèi)部曾做過(guò)估算，如果停止研發(fā)先進(jìn)制程，未來(lái)10年都用現(xiàn)有制程來(lái)生產(chǎn)晶片，則晶片生產(chǎn)成本將比持續(xù)投資先進(jìn)制程的情況多出一倍有余。而先進(jìn)制程的研發(fā)成本，可能只有整體晶片制造成本的1～3成間。

　　次世代EUV微影技術(shù)已在轉(zhuǎn)角處

　　但白鵬也坦言，要不斷推出更先進(jìn)的半導(dǎo)體制程，在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)方面所遭遇到的挑戰(zhàn)確實(shí)是越來(lái)越艱鉅，特別是在經(jīng)濟(jì)層面。

　　舉例來(lái)說(shuō)，英特爾在14奈米制程上導(dǎo)入了雙重曝光（Double Patterning）技術(shù)，讓193奈米浸潤(rùn)式微影機(jī)臺(tái)可以沿用到14奈米制程節(jié)點(diǎn)。面對(duì)10奈米制程世代，英特爾認(rèn)為，只要多增加幾道曝光程序，現(xiàn)有機(jī)臺(tái)大致上還是可以繼續(xù)沿用，只是生產(chǎn)流程會(huì)拉得更長(zhǎng)、更復(fù)雜，而且成本也會(huì)提高，經(jīng)濟(jì)效益不甚理想。

　　白鵬指出，要用更具經(jīng)濟(jì)效益的方法縮小電晶體尺寸，關(guān)鍵還是在極紫外光（EUV）微影技術(shù)上。雖然他不愿正面談?wù)撚⑻貭枌?dǎo)入EUV的時(shí)程，卻表示EUV已經(jīng)在轉(zhuǎn)角處（Around the Corner），暗示EUV距離實(shí)際導(dǎo)入不會(huì)太遠(yuǎn)。

　　另一方面，采用最先進(jìn)制程的半導(dǎo)體業(yè)者家數(shù)越來(lái)越少，是個(gè)顯而易見(jiàn)的事實(shí)，更是引發(fā)摩爾定律失效之說(shuō)的主因之一。白鵬認(rèn)為，這個(gè)現(xiàn)象與每家半導(dǎo)體業(yè)者所面對(duì)的應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模有關(guān)，主要是經(jīng)濟(jì)而非技術(shù)上的問(wèn)題。不可諱言，先進(jìn)制程的研發(fā)與投入成本很高，不是每家半導(dǎo)體業(yè)者鎖定的應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模都?jí)虼蟆?/p>

　　新材料、新架構(gòu)輩出　可望與CMOS形成互補(bǔ)

　　雖然摩爾定律走到今天，已經(jīng)面臨越來(lái)越艱困的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題，但白鵬指出，產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界仍在為繼續(xù)讓摩爾定律走下去而努力，并且在基礎(chǔ)材料、設(shè)計(jì)架構(gòu)上進(jìn)行多方嘗試。例如奈米碳管（Carbon NanoTube， CNT）、石墨烯（Graphene）以及自旋電子（Spintronics）等尖端材料與技術(shù)，都有長(zhǎng)足進(jìn)展。未來(lái)若有更進(jìn)一步突破，可望為半導(dǎo)體制程微縮添加新動(dòng)能。

　　不過(guò)，白鵬也強(qiáng)調(diào)，由于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）已經(jīng)是半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)最普遍的制程，擁有龐大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，故即便新材料或新技術(shù)取得重大突破，開(kāi)始應(yīng)用在晶片量產(chǎn)上，預(yù)料也無(wú)法完全取代CMOS在半導(dǎo)體業(yè)界的地位。比較可能出現(xiàn)的情況是，半導(dǎo)體業(yè)界會(huì)利用這些新材料或新技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)CMOS的不足之處，形成某種混搭。

　　延續(xù)摩爾定律要靠產(chǎn)業(yè)鏈攜手合作

　　摩爾定律發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，已是公認(rèn)事實(shí)。但白鵬認(rèn)為，只要半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈攜手合作，仍有機(jī)會(huì)克服難關(guān)。

　　例如有一派主張認(rèn)為，目前摩爾定律所能帶來(lái)的成本效益已經(jīng)不如以往，即便不考慮晶片設(shè)計(jì)與制程研發(fā)等成本，壓低CPT的效果同樣不如以往。對(duì)此白鵬回應(yīng)，CPT的計(jì)算牽涉到許多復(fù)雜因素，例如IC設(shè)計(jì)就會(huì)對(duì)CPT造成明顯影響。

　　白鵬指出，晶片內(nèi)部互連已經(jīng)是IC設(shè)計(jì)時(shí)的一大挑戰(zhàn)，隨著連線電路越細(xì)、繞線距離越長(zhǎng)，通訊的速度也越容易受到影響，而且還會(huì)衍生棘手的散熱問(wèn)題。這是晶圓生產(chǎn)者要將后段連線制程與前段電晶體制程同步推進(jìn)時(shí)，所遇到的最大顧慮。如果晶片設(shè)計(jì)者能針對(duì)內(nèi)部互連提出更創(chuàng)新的作法，就能創(chuàng)造出更多CPT縮減效果。

　　因此，摩爾定律要繼續(xù)往下走，光靠晶圓生產(chǎn)技術(shù)的努力是不夠的。整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈都必須攜手合作，才能打通每個(gè)環(huán)節(jié)所遭遇到的瓶頸。