原创 摩尔定律仍然有效，硅基材料寻求替任者

自半导体代替真空管以来的40年间，摩尔定律和CMOS微缩(Scaling)理论作为半导体工业的主要推动力量，一直见证着晶体管密度和性能的不断提升。随着半导体工业向45nm、32nm甚至22nm工艺节点持续推进，研究人员所面对的技术挑战日益严峻。在22nm之后，硅技术能否在器件尺寸缩小上继续取得突破？硅技术是否将会被某项新技术所替代？摩尔定律是否将会失效？在不久前上海举行的第八届固态和集成电路国际会议(ICSICT)上，来自IBM研究院Thomas J. Watson研究中心的科技副总裁、IBM院士陈自强(Tze-chiang Chen)就上述问题进行了全面的回答和阐述。

不倒的摩尔定律

有关摩尔定律的有效性，业界已经讨论了数年，其中不乏许多争论。陈自强认为摩尔定律不会失效，他强调：“摩尔定律指的是系统性能的提高，而不仅仅指半导体。”

“过去的二、三十年间，摩尔定律都是依靠半导体在CMOS工艺上的进步来体现的。今后的8到10年间，CMOS工艺依然会继续向前发展。”陈自强表示，“退一步讲，即使CMOS工艺在未来遇到发展瓶颈，我们还可以采用其他办法来弥补由于发展放缓对摩尔定律造成的影响，比如利用电路设计、芯片架构以及编译器上的创新。”

确实如此，在过去的大多数岁月里，工程师们在电路设计和芯片架构方面几乎没有什么大的创新。但这种情况已经在悄悄改观，比如IBM、HP以及Sun等支持RISC架构的高端服务器厂商在上个千年末率先提出了双核处理器的概念，从而推动了目前广为人知的多核技术的诞生。

AMD和Intel公司将从这场刚刚开始的“多核运动”引入到X86开发架构中来。这种势头还在继续被发扬光大。在不久前上海举行的IDF大会上，Intel公司副总裁兼商用客户机事业部总经理Robert B. Crooke就表示，即将推出酷睿2四核处理器。据称，酷睿2四核处理器和今天的双核比性能提高了80%，在服务器领域提高了50%。“这是非常大规模的提高。”他指出。

由IBM、东芝以及Sony共同研发的Cell处理器也可以作为支持上述观点的有力证据。除了采用多核架构之外。三家公司利用电路设计和编译器上的创新提高了芯片性能，并再一次验证了摩尔定律的有效性。“尽管Cell所用的技术并不是最先进的，但是系统表现却非常优秀。这表明过去全部由工艺来改进的系统性能可以由架构和电路创新来部分实现。摩尔定律仍然有效。”陈自强指出。

“摩尔定律将会继续前行。”陈自强表示，“人们在电路设计、架构以及编译器上的创新将是无止境的，摩尔定律将继续验证半导体技术的发展，至少目前我们还没有看到它失效的理由和迹象。”

F1：量子计算是后CMOS时代的一个选择

硅技术遭遇瓶颈

硅技术的发展日新月异，而系统需求则是站在背后推动其发展的一双大手。两年前我们还在谈论90nm，如今65nm芯片已经上市。根据经验，45nm的CMOS工艺将在1年半到2年内实现量产。而采用32nm工艺的芯片也将在45nm器件出现后的2年半到3年内问世，然后再按照同样的速度过渡到22nm……

人们似乎已经习惯了CMOS工艺的升级换代，理所当然的认为这种技术还会按照过去几十年中的速度发展下去，但这仅仅是在22nm节点之前。陈自强在大会发言中表示，美好时光也许就要嘎然而止。他指出：“在15nm节点上，业界还没有看到解决问题的方法。8到10年内，半导体研发将会遭遇前所未有的瓶颈问题。”

别灰心，换个角度的话，我们可以将上番话理解为：在CMOS工艺微缩即将到达极限之前，至少还有8到10年的准备时间。此外，许多新兴技术都可以拿来利用。举例来说，在处理器领域大吹多核风的今天，仅仅增加内核是不够的，同步提高带宽才能带来性能上的真正提高。因此必须增加I/O数量。三维封装技术因势而出，并将I/O数量在目前的基础上增加了1000倍。三维封装带来的好处还不仅限于此，通过将各种不同材料、信号和器件集成在一起，它能够提高并行性，减少引线延迟和转发器数量。“新的技术将帮助我们把这个期限再往后延长5到10年。也就是说，从现在到找到完全可适用的新技术之前，我们还有20年左右的时间。”陈自强称。

上述过程是必须的。“从真空管完全过渡到半导体，人们经过了大概20年左右的时间。当初的研究人员甚至连基本的材料工艺都无法进行控制。比如硅的提纯。”

F2：图题：CMOS科技战略发展蓝图

功耗、稳定性以及集成度是科学家们在替代硅晶体管技术的衡量标准。今天的半导体功耗已经远远超过了日光灯，这令人无法接受。而随着CMOS工艺的演进，半导体变异(Variability)引起的关注度也在日益上升。“在过去，氧化层下面掺杂的原子可能有上百万个，但是一旦这个数目降低为40个的时候，控制它的排列对晶体管特性至关重要。更为重要的是，我们不是要控制一个晶体管，而是整个芯片中的上亿个这样的晶体管阵列。”

已经处于研发中的替代技术包括电荷(Electronics charge)、原子/分子排列、量子计算、光子、电子自旋(Spintronics)以及DNA技术。这些技术各有特点。以电子自旋为例，它的功耗可以低至晶体管电路的1/10E6，可以垂直堆叠100层的高度，从而使得存储密度大幅上升。不过，这种技术的集成度还无法提高到所需的程度。

在目前最有希望成为下一个替代技术的碳纳米管(CNTs)技术研发上，IBM也遇到了同样的问题。该公司已经在这项技术上已经投入了将近10年左右的研发时间，但是陈自强承认，材料提纯、材料处理(如何利用物理和化学方式将特定功能的碳管置于特定功能的基板上、如何控制碳管的排列方式)以及提高集成度(绝缘氧化层的沉积、原位表面掺杂、保护膜沉积、选择性的蚀刻)等方面的问题仍然悬而未决。“今天的芯片已经可以集成上亿个晶体管，但是即使最新的碳纳米管电路，我们也只能集成5个碳管。另外，虽然我们已经实现了工作频率为70MHz的碳纳米管电路，比之前的70Hz有了大幅提高，但是距目标特性还有10万倍的距离。”陈自强说，“尽管我们已经证明该技术要比晶体管好，但是很显然，还需要10～20年左右的时间来克服这些挑战。”

作者：王彦