威廉希尔体育面对物理极限芯片将往何处去

2024-01-13 19:34:17

　　英国威廉希尔公司芯片构成了现代社会正常运转的核心控制单元，影响范围涉及、商业、、文化等方面，没有芯片，我们现在所拥有的便利生活几乎都无从谈起。资深芯片研究专家汪波的《芯片简史》一书，以半导体技术发展的时间线为主轴，以多种门类的半导体器件演进过程为脉络，覆盖了材料、器件、工艺、架构和应用等多方面内容，展现了半导体行业从理论形成到产业爆发的全貌。了解芯片发展历程，才能看清未来发展趋势，而芯片的故事，也是无数“科技树”的缩影之一。

　　技术改变世界，芯片毫无疑问是极少数能改变每个人的桂冠级产品。２０世纪以来，计算机分别采用继电器、真空管和分立的晶体管作为开关元件，体积十分庞大。２０世纪６０年代起，人们开始用芯片搭建计算机，伴随着晶体管技术的成熟和芯片集成度的提高，到了２０世纪６０年代末威廉希尔体育，只需一颗芯片就能实现大部分计算功能。从物理学家研究晶体内部的电子运动，到芯片成为全球最重要的生产力工具，其实只用了６０多年的时间。

　　1959年，美国著名半导体厂商仙童公司首先推出了平面型晶体管，紧接着于1961年又推出了平面型集成电路。这种平面型制造工艺是在研磨得很平的硅片上，采用一种名为“光刻”的技术来形成半导体电路的元器件，如二极管、三极管、电阻和电容等。只要“光刻”的精度不断提高，元器件的密度也会相应提高，从而具有极大的发展潜力。

　　1965年，ＩＢＭ公司开始发售广受欢迎的Ｓ３６０计算机，它采用分立晶体管，售价高达１１万美元。同年，全世界约有２万台计算机，平均每１６万人才拥有１台。如果芯片价格能以指数速度下降，那么计算机就能变得廉价并普及开来。在此两年前，芯片的销售量达到了５０万颗，但仍远低于晶体管的数亿颗，而且芯片的客户几乎都是美方，民用市场都被芯片当时高昂的价格吓退了。

　　这一年，时任仙童半导体公司研究开发实验室主任、后来英特尔创始人之一的摩尔，应邀为《电子学》杂志３５周年专刊写了一篇观察评论报告，题目是“让集成电路填满更多的元件”，其目的是为了说服业界相信芯片市场前景广阔。如果能让人们相信未来有这种趋势，那么客户就会放下顾虑并逐渐接受芯片。

　　摩尔决定从数学中找答案。他注意到，在芯片诞生的头几年，一枚芯片里元件的数量一直在不断地增长，而且似乎很有规律，大约每年翻一番。于是他预测下一个１０年中，这种元件数每年翻倍的趋势将持续下去，将从６４个增长１０００余倍，变成６５０００个。这意味着，芯片未来不仅价格会大幅下降，芯片性能也会随着规模化生产而得到快速提升。１０年后，一颗芯片的性能相当于当时１０２４颗芯片性能的总和。

　　摩尔在那篇文章中写道：“我相信，这么大的一块集成电路能建造在一片单独的晶圆上。”“我相信”这三个字很简洁，却显示出他不凡的信心和抱负。

　　他的文章发表后，并没有立刻引起轰动。反而，业界当时流传着一个关于芯片的“厄运预言”。当晶体管中有电流流过时，一部分电能会转换为热量。芯片中晶体管越多，热量也越多。人们估计，如果元件数量达到数百万个，它们产生的热量聚集在指甲盖大小的空间，热量密度会超过核反应堆，直逼火箭的喷射口，导致芯片熔化。这意味着当晶体管还没有缩小到极限时，芯片散热问题就能让摩尔定律提前“死亡”。

　　在过去的几十年，晶体管工艺节点从几十微米延伸到了１微米以下，又沿着５００纳米、３５０纳米、２５０纳米、１８０纳米和１３０纳米一直延续到了１００纳米以内，进入了９０纳米、６５纳米、４５纳米和３２纳米。进入２０世纪第一个１０年，摩尔定律又从２２纳米工艺节点开始，向着１４纳米、１０纳米、７纳米和５纳米继续前进。

　　一枚芯片里晶体管的数量，从几个飙升到了上百亿个，这是了不起的进步。可如今，面对功耗、内存、开关功耗极限及算力瓶颈这几堵“高墙”，摩尔定律预测的翻倍节奏放缓成为不争的事实。不仅晶体管放慢了栅长缩短的脚步，内部热量达到了难以忍受的程度，而且开关频率停止了增长，半导体厂商更新换代的周期也变得越来越长。叱咤江湖的摩尔定律或许真的要失灵了。

　　然而，给外界的感觉是，芯片产业仍一片欣欣向荣。《芯片简史》的解释是，目前业界宣称的所谓１０纳米、５纳米的“技术节点”并不是真实的，其对应的晶体管中根本没有任何一个特征尺寸是１０纳米或５纳米。例如，在台积电公司的“１０纳米工艺节点”中，晶体管的栅间距为６６纳米，而金属间距是４４纳米，与１０纳米相距甚远，不过是数字游戏罢了。

　　那么，如果真的像半导体厂商宣称的那样，未来几年的工艺节点将推进到１纳米甚至0.5纳米，又会怎样呢？书中介绍，一个硅原子的直径是0.5纳米，届时晶体管将只有１到２个原子大小。在这么小的尺寸下，海森堡不确定性原理将起作用，原本确定的０和１之间的界限将变得模糊，晶体管开关将彻底失效，而其上的计算芯片大厦也将轰然倒塌。因此《芯片简史》直言，这些所谓的“技术节点”的数值已经不代表任何真实尺寸，只是一种商业宣传的幻觉。

　　目前，晶体管正逼近物理极限，这一障碍与以往的技术障碍不同，谁也无法回避量子力学的限制。就连为公众熟悉的芯片加工“神器”光刻机，也正陷入尴尬境地。

　　光源为193纳米的浸没式光刻机，可以加工的最小栅间距约为34纳米。193纳米的紫外光，本身无法用来加工这么小的尺寸，它需要经过多次曝光，分次加工线条的不同边缘，才能达到所需的精度。然而，加工尺寸越小，紫外光进行多重曝光所需的掩膜版数量也就越多，到了７纳米技术节点，就需要几十层掩膜版。掩膜版越多，加工步骤越多，意味着所花费的成本和时间也越多。10纳米工艺制造的晶圆，比14纳米工艺制造的晶圆贵了32％，而７纳米的技术节点，又比10纳米贵了14％。

　　作为进化形态，ＥＵＶ光刻机的光源波长是13.5纳米，仅为浸没式光刻机的十分之一，是解决这一问题的希望，但新的问题又冒了出来。ＥＵＶ光无法在空气中传播，因为这么短波长的光会被空气吸收掉。为此，机器内部的光传播路径和晶圆加工台所在区域要抽真空。可是，玻璃透镜会吸收ＥＵＶ光，人们不得不放弃使用了几十年的透镜，改用反射镜。然而，普通的反射镜也会吸收ＥＵＶ光。为此，阿斯麦尔公司发明了一种特殊的镜子，表面交替涂有硅和钼的薄层，每层只有几纳米厚。利用两种材料不同折射系数的布拉格效应，每个交界面处都可以反射一部分ＥＵＶ光。ＥＵＶ光在到达晶圆台前要经过12个反射镜，每次反射损失３０％，最后只有约１％的光线能照射到晶圆片上。本来250瓦的光源，照到晶圆上只剩下２瓦。如此微弱的光线需要光刻胶极其敏感，但高灵敏度的光刻胶又会引起加工精度的波动……真正是，技术难题层出不穷，解决完一个，又冒出一个。

　　经过多次延迟，阿斯麦尔公司最终克服了难以想象的困难，制造出了人类历史上最精密的光刻机，每台成本高达２亿美元。遗憾的是，ＥＵＶ光刻机很快也将达到极限。据预测，2028年半节距将达到极限的８纳米。那将会是“悬崖边缘”，再往前就是量子力学的不确定性统治的世界了。当光刻精度达到极限后，晶体管尺寸将无法继续缩减。

　　回顾芯片发展史，令人感慨。如果说芯片产业是一棵大树，那么这棵大树起源于一颗很小的种子。这棵树的根是物理、化学和材料等基础学科，树干是半导体技术，各种器件和芯片组成了它的枝叶，这棵树不断地向上、向外扩展。

　　为了生长，大树需要将水分和养料从根部“泵”到如此高的枝头，同时它还需要在地下，朝着几乎与树冠相近的深度继续扎根下去。芯片产业也是如此，它也要向更深的基础科学扎根，吸取养分；而有创意的应用会在顶端萌芽冒出，带动下面的营养物质向上输送。如今，在芯片领域，人类已经抵达高高的树冠，这棵大树是否能继续成长，还要遵循一定的自然规律。

　　《芯片简史》认为，相较于解决具体技术问题的困难，也许更难的是人们省察自身。我们也要考虑为了解决问题而消耗的能源和产生的热量，反省对环境产生的不利影响。制造芯片消耗大量的水和电力，每制造一颗芯片，需要消耗约３.８升的水。而且，废弃的芯片无法自行降解，需要经过额外的步骤处理，才能不对环境造成污染，否则我们将被电子垃圾包围。

　　半导体制造虽然以硅为主要原料，但为了造出最尖端的芯片，人们已经将元素周期表中的一半元素都应用在芯片中，其中一些元素有极大毒性，在制造过程中不能外泄。早在仙童半导体公司和英特尔公司刚刚成立的年代，人们还没有意识到这个问题，一些有害元素就这样进入了土壤层。现在，人们正尽可能地减少有害元素的排放。

　　目前，人工智能、云计算需要大量芯片，消耗的电力和产生的热量惊人，许多服务器机房不得不建在寒冷或电力充沛的地方。如果我们不对微电子器件的功耗做出改善，那么到２０３０年，全世界四分之一的电力将消耗在各种微电子器件上。考虑到目前全球的电力仍主要由化石燃料供应，这将对碳排放控制造成巨大压力。

　　人文代价同样不容忽视。由于有了芯片和信息技术，短短几十年间，人类已经从信息匮乏时代，进入了信息过剩时代。我们生产了海量的数据，而且新数据仍在以指数级增长，过去十多年增加的数据，超过了人类历史上所有数据的总和。但这些数据如何才能转化为有效信息？如何才能在海量信息中坚定自我，避免被其淹没？隐私如何在大数据时代得到保护？我们的确需要停下脚步反思一下了。

　　本书集科技冒险、商战故事、大国博弈于一体，分析了芯片崛起的历史，以及以控制芯片行业的未来为目的的日益复杂的地缘权力斗争，对理解当今的、经济和和科技至关重要。

　　作者瑞尼·雷吉梅克带我们重返了晶圆步进光刻机的诞生地，和我们一起探索了ASML在全球获得令人瞩目的成功之根源所在。