创新不止，摩尔定律不灭！

引言：至少十年来，人们一直在谈论摩尔定律的终结问题。尤其是半导体领域两大人物黄仁勋和基辛格的说法，让业内资深人士和观察家们都感到困惑。1965年，英特尔的联合创始人戈登·摩尔预测，单个芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番，而成本只会有极小的增加。这个预测在当时是革命性的，因为它预示了一个持续创新和技术进步的时代。后来它被称为“摩尔定律”，成为半导体行业发展的指南针和灯塔，深刻地影响了整个半导体产业的发展。
 
 
      图源：戈登·摩尔《在集成电路上容纳更多组件》一文
 
六十载风云变幻，摩尔定律引领行业发展
 
在过去的近六十年间，摩尔定律一直是半导体行业的灯塔，指引着技术进步的方向。摩尔定律的影响是深远的。从最初的几十个晶体管到今天的数十亿个晶体管，摩尔定律激发了无数技术突破，包括微处理器的发展、存储器的进步和整个电子产业的变革。
 
1970年代，英特尔8086微处理器加快了个人计算时代的到来。1980年代，第一个拥有100万个晶体管的x86处理器诞生。1990年代，英特尔奔腾处理器诞生，至强处理器为服务器、工作站带来强大的算力。2000年代，首个在单个芯片上集成两个处理器，专为个人电脑设计的多核结构的英特尔“酷睿”诞生。
 
在晶体管微缩的道路上，挑战从未止步。然而，每一次，在摩尔定律的指引下，半导体行业都成功克服了重重困难，实现了技术突破。从应变硅（strained silicon）、Hi-K金属栅极到FinFET晶体管，以英特尔为代表的半导体巨头在晶体管微缩领域取得了一系列里程碑式的创新成果。摩尔定律已经被一次又一次地证明是正确的，这些创新不仅大幅提升了芯片性能，也为摩尔定律的延续奠定了坚实的基础。
 
当今世界，对计算的需求呈指数级增长。人们渴望更强大的计算能力，以满足视频、游戏、人工智能等应用场景的复杂需求。这种需求与芯片的面积、成本和功耗成反比。简而言之，这就是“摩尔定律”：更充足、更强大、更具性价比的计算能力，是经济增长的关键组成。
 
诚然，摩尔定律在过去六十年中取得了巨大的成功，但如今也面临着一些挑战。随着晶体管尺寸的不断缩小，物理极限逐渐被摸到，传统的摩尔定律scaling（微缩）速度正在放缓。然而，这并不意味着摩尔定律的终结，而是激励着整个行业不断寻找新的材料、新的设计架构和新的制造工艺。毕竟，逆境是发明之母。
 
朝着万亿晶体管迈进，如何延续摩尔定律？
 
摩尔定律作为半导体技术的“黄金法则”，为我们所处的这个日益数字化、智能化的世界奠定了基础。而下一步，摩尔定律将继续指引着半导体产业的发展方向。
 
目前单个设备中的晶体管数量约十亿个，英特尔预计，到2030年，单个设备中集成的晶体管数量将达到一万亿。如何实现一万亿晶体管呢？这将是一个集大成的过程。
 
（一）制程微缩：摩尔定律的永恒追求
 
首先，制程方面仍然继续要微缩下去，制程微缩是实现晶体管数量增长的关键手段。作为“摩尔定律”的提出者和践行者，2021年，英特尔提出4年5个节点计划，带领半导体产业迈向埃米时代。如今，英特尔的“四年五个制程节点”计划正在按部就班的顺利进行当中。
 
 
 
在接下来的Intel 20A、Intel 18A和Intel 14A三个重要节点中，英特尔将引入更多的新技术。例如英特尔将从Intel 20A开始，采用全新的晶体管架构——RibbonFET全环绕栅极（GAA）晶体管，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。
 
PowerVia背面供电是另一项关键的技术。传统晶体管架构中，电源线和信号线共享同一块晶圆空间，限制了芯片性能和能效的提升。背面供电技术将电源线移至晶体管背面，有效解决了这一问题，显著提高了芯片性能和能效。经过测试结果显示，使用PowerVia技术的芯片大部分区域的标准单元利用率超过90%，单元密度大幅增加，成本有望降低。同时，PowerVia技术将平台电压降低了30%，并实现了6%的频率提升。背面供电技术为晶体管微缩提供了重要支撑。
 
在摩尔定律的微缩下，光刻技术将继续占据重要地位。下一代EUV光刻技术High NA EUV，有望进一步提升晶体管微缩能力。High NA EUV光刻机预计能够打印比现有EUV工具小1.7倍的特征，与 0.33NA EUV 相比，High NA EUV（或 0.55NA EUV）可以在类似特征下提供更高的成像对比度，从而使每次曝光所需的光更少，减少打印每层所需的时间并增加晶圆产量。目前，英特尔是业界第一家收到并组装了业界首台High NA EUV 光刻系统的代工厂。英特尔计划在Intel 14A节点上采用高数值孔径 (High NA) 极紫外 (EUV) 光刻技术。
 
   
（二）先进封装，愈发重要
 
近年来，2.5D、3D等先进封装技术的发展进步，为摩尔定律的延续提供了新的路径，并成为各大晶圆厂争相角逐的竞争焦点。目前英特尔先进封装技术主要包括以下几个方面：
 

• EMIB（嵌入式多芯片互连桥接）2.5D先进封装技术：支持把不同的芯片放在同一块平面上相互连接，将芯片互连的凸点间距降低到45微米，显著提高了芯片互连密度和带宽。

 

• Foveros 3D先进封装技术：支持在垂直层面堆叠独立的芯片模块，并通过硅通孔技术实现垂直层面的互连，进一步提升了晶体管密度和性能。

 

• 下一代Foveros技术Foveros Direct：采用铜与铜的混合键合连接技术取代焊接，将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。

 
除了在结构和互联上的创新，材料创新也变得必不可少。业界预测，到2020年代末期，半导体行业在使用有机材料的硅封装中微缩晶体管的能力可能将达到极限。有机材料的耗电量较大，且在微缩过程中容易出现收缩和翘曲等问题。以英特尔为代表的企业开始探索玻璃基板的潜力。
 
玻璃基板拥有超低平面度、更好的热稳定性和机械稳定性，这使其在支持高密度、高性能芯片封装方面具有独特优势。随着有机基板在微缩过程中逐渐达到极限，玻璃基板的应用将成为下一代半导体技术发展的关键。
 
（三）超越摩尔定律
 
为实现2030年在单个设备中集成一万亿个晶体管的目标，英特尔组件研究团队还在3D堆叠CMOS晶体管、在同一块300毫米晶圆上成功集成硅晶体管和氮化镓（GaN）晶体管、使用过渡金属二硫属化物（TMD）等2D通道材料以及堆叠型铁电电容器等多个领域进行广泛的研究。通过在多个前沿技术领域的持续创新，英特尔组件研究团队正努力推动摩尔定律的延续。
 
“莫为历史所羁绊，放手而为创绚烂”这句话来自英特尔公司联合创始人罗伯特·诺伊斯。展望未来，尽管传统的硅基工艺面临瓶颈，但新兴技术如量子计算、光子计算以及碳纳米管等有望接过摩尔定律的接力棒，继续推动计算能力的飞跃。
 
通过制程和封装双管齐下，并结合多个细分技术，英特尔剑指2025年制程之巅。英特尔的创新实践，彰显了其对超越摩尔定律的坚定决心和对引领计算未来发展的使命担当。一万亿晶体管的目标指日可待。
 
结语
 
戈登·摩尔在1995年写道： “我并不指望这个估算有多精确。我只是想让大家明白，这是一项有前途的技术，从长远来看，它有望做出巨大贡献。”归根结底，摩尔定律从一开始就不是“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。
 
而经过半个世纪以来，摩尔定律早已不仅是一个技术预测，更是半导体行业追求进步的精神象征。持续创新正是摩尔定律的基石。无论是从硅晶体管的发展，到纳米级工艺，再到如今探索的量子计算和其他前沿技术，摩尔定律始终在推动技术的边界。它激励着无数科学家和工程师不断突破自我，追求更高的目标。
 
正如英特尔CEO帕特·基辛格所说的：“在穷尽元素周期表之前，摩尔定律都不会停止。”因此，只要创新不止，摩尔定律就不会停止。