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摩尔定律还能走多远？--半导体芯片技术面临新变革 |
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| http://cn.newmaker.com
11/18/2007 2:32:00 PM
佳工机电网
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英特尔公司创办人之一戈登·摩尔曾经预言，芯片的晶体管数量大约每隔一年半到两年时间将增加一倍，这一规律被称为“摩尔定律”。至今，半导体产业芯片技术的发展进程大致符合这项定律，产业界不断推出运算速度更快、功能更强大、散热更少、单位成本更低的微处理器。
英特尔公司1971年制造的早期微处理器，在邮票大小的面积上可容纳2300个晶体管，最新的Montecito芯片，在相同面积上容纳的晶体管数量已达17亿个。目前英特尔公司使用的65纳米工艺制造技术，在2007年底前大部分产品也将升级至45纳米。
半导体产业的进一步发展，使芯片设计和制作工艺不断追求尺寸越来越小、功能越强、耗电量越小、散热越少。但要在纳米尺度的细小芯片上实现晶体管数目不断成倍增长、线路与线宽越趋细薄，将具有物理局限与投资制造成本巨大增加的不可行性，尤其是20纳米以下的制造技术则更为困难。目前的CMOS制造工艺技术将无法控制无限微小化的电路，因而，在技术与经济成本上是否能够持续遵循摩尔定律，在降低芯片制作的平均成本的同时，提升芯片效能、减少耗电与散热等，将是半导体产业未来极为关注的一项挑战。
芯片设计也不仅仅是一项硬件的设计工作，未来将包含更多的软件设计工作，软硬件共同设计，相互融合，将使未来的芯片功能更强，更能产生突破性发展和新产品的创新运用，这也将是未来芯片设计产业蜕变发展的一项新挑战。
硬件厂商续演摩尔定律
IBM公司2006年4月提出的《全球科技展望》报告预测，半导体产业科技的摩尔定律至少还将会盛行10年。芯片设计师通过设计新的工艺结构，将新的化学物质纳入芯片制造，硅基材料起码还能撑上10年，而不必用更基本的材料代替。
2007年1月27日，英特尔公司宣布已掌握新的工艺方法，即用铪金属材料取代目前半导体芯片中作为关键部分的硅材料，以及使用高介电材料代替硅基衬底制造出新微处理器芯片。英特尔公司称，此一突破性的新发现是该公司自1960年代以来最重要的技术突破进展。
使用这种铪金属所制造出的芯片除可省电30%以外，还能使晶体管性能提高20%。该新芯片不仅可以应用在计算机上，还能运用在消费类电子设备上。结合了运算能力与节能的微处理器，可让诸如手机等电子设备长时间播放影片，但消耗的电力更少。
英特尔公司目前已制造出初期工作芯片，芯片宽度由目前的65纳米缩小到45纳米，该芯片将于2007年下半年批量生产，供个人计算机与服务器使用。此项技术突破与发现可以突破纳米障碍，开发出储存、运算速度更快、更省电，并与现有生产技术兼容的方法生产制造微处理器等芯片。
英特尔公司表示，这项半导体芯片40多年来最重大的突破，将使芯片储存与运算速度在未来10年间不断地再提高，半导体产业界也将可以在未来再延续数十年来的发展趋势，将半导体芯片越做越小，但功能更强、成本更低、更省电且散热更少。
近年来，为了在芯片中集成更多的晶体管，连接晶体管的连线也越来越细，这种非常细的连线已经影响到它们处理信号的能力。芯片制造工艺进展到纳米尺度，细微芯片溢出电流的问题，就成为摩尔定律能否继续生效的重大障碍。
计算机硅芯片的每个晶体管上都设有一个门，以开或关来实现电流通过与否，其下以细薄的二氧化硅作为绝缘体，但此绝缘体越细薄，溢出电流会越多，溢出电流会产生热能散发出来，使电池耗尽。在最先进的集成电路中，晶体管每秒钟的开关速度高达10亿次，它们之间的连线几乎已经跟不上这种节奏。导线越细，沿着它传输信号就需要越长的时间，每推出一代新芯片，这种情况就变得越糟糕。
英特尔公司的另一项技术突破致力于解决这个问题。该项技术是将芯片上晶体管电路门由硅材料改为新的以铪为基础的材料，这种高介电率材料可比以二氧化硅做材料的绝缘线做得更细薄，但仍允许导电电流顺利通过，从而使电路门可以更好地工作。但英特尔公司并未透露其代替使用的新金属材料的具体成分。
此项技术突破可使极小的芯片上集成多达10亿个以上的晶体管，并减少芯片漏电10倍，电流在晶体管中的速度提升20%%。未来可使手机芯片可以执行更高级的运算工作，但仍维持它们的电池充电量。
硅栅技术已有30多年历史，用金属栅代替硅栅犹如像是从螺旋桨飞机进步到喷射式飞机那样的重大技术突破。英特尔公司表示，此项突破虽不敢称可以使摩尔定律得以加速发挥，但清楚地表明，起码摩尔定律将暂时不会停下脚步。
同样是在2007年1月27日，IBM公司也不约而同地称，使用高介电率材料储存导电电流比使用硅效果更佳。IBM公司此项研究的合作伙伴包括美国AMD公司、日本索尼公司和日本东芝公司。IBM公司预定明年起批量生产此类芯片。基于此类设计的新芯片将具有前所未有的高效能，同时可降低耗电，美国AMD公司也预定于明年年中推出45纳米的微处理器芯片。
未来英特尔公司、IBM公司与AMD公司等在此类新芯片竞争上谁拥有更多竞争优势，尚不得而知，但对全球消费者而言，无论谁拥有领先优势，都将受惠于这些创新技术的多方竞争。
惠普公司则于2007年1月宣布已研发出一种利用纳米技术，可允许在多种可编程芯片上装进8倍于现有芯片的晶体管数量，且更为省电的新技术。这将改变通讯交换机系统、无线网络设备、工厂与营建控制系统及广播设备等。原型芯片可望一年内完成。
惠普研发的这项新技术的重要性是不须缩小晶体管的尺寸。传统上，为提高芯片效能与储存容量，都从缩小晶体尺寸着手。每次提升工艺技术，平均须花费两年的时间，投资的成本更高。有了这项新技术，现有的芯片加工厂的生产线只需小幅调整，不必全面升级。这项新技术可用于改善现场可编程门阵列这类传统芯片。现场可编程门阵列是可编程逻辑元件与连接界面芯片，终端使用者可自行重新编程。
英国塑胶逻辑公司于今年早些时候宣布已集资1亿美元，将兴建全球首座以塑胶材料取代硅的半导体制造厂，有朝一日可能终结硅芯片时代、彻底革新全球电子工业。
据称，目前该公司的技术比竞争对手的同类研究领先两年。美国朗讯、荷兰飞利浦、日本日立、南韩三星等公司都在着手研发或密切关注塑胶半导体技术的发展。这项新技术，可望使电子电路的价格陡降90%，并且让“智能型”材料制成的衣物等产品早日问世。豪瑟称，此技术可能揭开廉价电子时代的序幕，届时电路可缝在衣服上，穿上身就可提醒你今天该做什么事。
此外，包括英特尔公司在内的国际硬件厂商仍在不断地致力于半导体技术的突破性研究发展，硬件巨头们正在积极投资，开发利用纳米碳管代替硅、利用激光制造芯片及以新的光学显微技术开发新一代22纳米工艺技术，可以预期未来将在现有制造设备投资及改进下，不需再有重大技术改变与巨额投资，便可在未来10至20年间延续摩尔定律现象。
软件巨头软硬兼施追赶摩尔定律
尽管像英特尔公司和AMD公司等这样的芯片厂商已经在推出多内核芯片，与单内核芯片相比，其运行速度更快。然而，当前存在的挑战是目前大多数的软件还无法利用这种优势。英特尔公司表示，这些软件也必须按照摩尔定律的速度发展，也要每两年将支持并行度翻一番。然而，这对产业而言却是一次大的挑战。在服务器领域，情况则要好一些，桌面软件能够向超级计算机和服务器借鉴一些经验，但据阿姆达尔定律表明，软件支持的并行度却是有限的。
当然，仍然有其它的选择。应用软件能够处理多个完全不同的任务，系统可以运行多个应用软件。软件和系统都可以预测用户想要完成的，然而，产业却无法像以往那样发展了。微软公司最近正在努力敦促业界开始解决这一问题。
微软公司称，我们当前确实正面临着确定怎样去发展的挑战，个人计算编程产业链将提升到一个新水平，它将能够开发高可靠性、分布式、高并行性的大规模应用软件，这大概将是我们在过去20或30年中推出的最具有革命性的技术。未来版本的Windows操作系统必须有其根本的不同，能够充分利用多内核处理器的优势。Vista操作系统能够处理多线程技术，但不是面向16或更多内核的。而应用软件在利用多内核处理器技术方面就显得更为落后。
为了应对以上挑战，微软开始转向自家实验室找寻芯片设计新来源。微软自行设计芯片的计划有可能颠覆高科技产业。目前微软把这项计划暂称为计算机结构研究（ComputerArchitectureGroup），由位于华盛顿总部的实验室和加州硅谷的微软校园分头进行。
微软自行设计芯片的想法，部分源于微软构思下代Xbox游戏机的设计。由于新的测试工具越来越发达，微软得以随时对新点子进行测试。例如，研究人员可以利用加州大学柏克莱分校设计的系统重新设计芯片，同时省下实际生产成本；另一方面，晶体管体积逐渐缩小，工程师可以在一片芯片上放入许多处理器，因此家电产品里的计算机运算功能越来越多，为微软带来新挑战和新机会。
近年来，游戏机和手机等产品开始具有计算机运算功能，计算机运算功能不再以桌面个人计算机为中心。当微软打算进入这些市场时，微软必须逐渐自行设计过去外包的软件、硬件和封装等项目，而不只是以微软或Windows品牌做营销。同时，多核心或多处理器的芯片出现爆炸性成长，使具有并行运算功能的消费性电子商品相继问世。美国苹果计算机公司今年6月推出的iPhone手机，将数码照相、网络下载与电子邮件、视频、声频等功能融为一体，使用了多项新功能芯片融合设计，包括核心芯片程序及影像核心处理器、无线区域网络芯片、射频及基频芯片、触控荧幕控制芯片、蓝牙芯片等。
加州大学柏克莱分校的计算机教授帕特森称，这是计算机产业的历史时刻。我们正处于计算机产业革命性改变的时刻，未来的硬件和软件将具有并行运算能力。计算机工程师逐渐可以用单一芯片作业，取代过去的整个运算系统。微软公司最近的芯片设计在软硬件设计工作面临的挑战与可能的突破及发展布局，已呈现改变之势。
以灵敏的嗅觉意识到芯片设计产业即将蜕变，通过软硬件设计的相互融合，提升芯片功能，开发创新产品与功能将是信息产业立于不败之地的必由之路。
摩尔定律到底还能走多远
摩尔定律主宰信息产业的节奏已经30余年了。过去的30年里，从一个只具简单计算器功能的Intel4004芯片，演化为今天具有超级计算能力的64位芯片，摩尔速度赢得了业界的信服和敬仰，成为衡量信息时代步履矫健、健步如飞的标志，成为让大众领略信息时代飞速发展的最好、最通俗的解说词。
但硅芯片上承载电子电路的数目———无论是否有摩尔定律———都不可能无休止地进行下去。2007年9月18日，连摩尔定律的创始人戈登·摩尔也不得不承认，摩尔定律在未来10到15年还会继续发挥作用，但由于电子产业面临基础性的限制，速度将会逐渐放慢。该定律在2020年前后将面临瓶颈，甚至可能走入历史。
英特尔公司从改进物理材料入手延续摩尔定律的脚步。但英特尔即将推出的采用铪元素作为绝缘层的45纳米处理器，其绝缘层的厚度目前为5个分子厚，摩尔认为理论上绝缘层厚度不能比一个分子薄，5个分子的厚度已是极限。摩尔表示，如果研究人员能够研究出3D芯片，将可继续带动半导体产业发展。
数年前物理学家霍金曾表示，电子产业面临两个限制：光的速度和材料的原子特性。摩尔说，半导体业目前距离这两个极限已不太远。是的，我们正处在一个全新的半导体时代的开端，在这个逐渐开始多元化的新材料时代里，我们也许将无法遵循任何过去曾经指导我们思考未来半导体技术的熟悉且可推断的方法。人们已不再满足于开发更低纳米数的芯片生产工艺，很多研究人员和工程师正在为下一代芯片的生产而评估各种化学元素的组合方案，甚至研究把生物细胞单元与半导体材料结合起来的可行性。
现在看来，半导体器件始终朝更快、更小和更便宜的方向前进，无论从技术还是经济的角度而言都正在带来越来越多的问题。此外，从市场、应用和更重要的全球视角来看，半导体工业和整个世界正在向多元化的方向发展，更智能、更易于使用和更方便互联的半导体器件将成为推动下一波应用的主要力量。从应用来看，全面整合娱乐、移动通信和计算功能的新增长引擎强调“连接性”，尤其是普遍的互连，不仅针对消费电子，而且几乎包括所有类型的应用。
即便硅材料上的摩尔定律离我们渐行渐远，也丝毫不会妨害技术进步的未来。随着量子芯片、超导芯片、生物芯片等等新兴技术的兴起，其它材料上的广义摩尔定律是否依然会高扬进步的旗帜，我们拭目以待！
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