摩尔定律或在2021终结,这会是半导体厂商的噩梦?

2016-07-28 12:18:59     作者:程弢      来源:雷锋网

摩尔定律终结只是时间问题,那么半导体厂商该如何应对?

50年前,英特尔创始人之一戈登·摩尔提出了摩尔定律:集成电路上可容纳的电晶体(晶体管)数目,约每隔24个月便会增加一倍。最近几十年,这个定律堪称科技界的铁律,无论是半导体制造商还是芯片设计商,几乎都在按照这个规律发展。

但是,最近两年,以英特尔为首的半导体厂商开始放慢制程的升级迭代之路,而人们也不得不开始讨论摩尔定律的预言是否已经失效,半导体厂商又该如何面对这样的挑战?

从最近一期的半导体国际技术路线图上可以看出,到2021年,微处理器内部的晶体管的尺寸缩小的进度不是放缓,而是将停止缩小,这也就意味着推动半导体行业变革的摩尔定律将正式退出历史舞台。

延续摩尔定律究竟有多难?

实际上,过去几十年半导体行业也没有和摩尔定律完全保持一致的节奏。

从 1965 年到 1975 年,芯片上的晶体管数量几乎每年都会翻番;然而在1975年之后,由于技术的限制,周期变为了两年;到上世纪 90 年代末,又回到了正规。

而现在半导体厂商又面临了什么样的困难?

目前,半导体制造商最先进的半导体制程已经达到了14nm,正在朝着10nm前进,但这几乎已经无限接近硅材料的物理极限。有人会说,未来还会有7nm和5nm,但事实真会如此吗?

如果继续按照摩尔定律来研发更高级的工艺制程,会面临物理和经济(投入产出比)两方面的挑战。

摩尔定律本身是一条物理定律,但是在硅晶体管的尺寸接近10nm的时候,栅氧化层的厚度只相当于十个原子的厚度。这就会极易产生量子效应,并且导致晶体管的特性难以控制,例如漏电问题。对半导体厂商而言,这是一堵穿不透的墙。

除此之外,因为晶体管尺寸的缩小,芯片制造成本在逐渐增加,长期以往每颗芯片的毛利率甚至还会低于制造的成本。很明显,未来大多数厂商会因投入产出比而选择更具商业价值的制程。

如何应对?

即便半导体制造商无法进一步缩小晶体管的尺寸,但这并不代表半导体行业就此停滞不前,业内人士认为有两种方案值得尝试。

不少业内人士表示,虽然晶体管的尺寸无法缩小,但未来能够取而代之的是通过堆叠技术来提升晶体管的密度,这一技术成熟后就可同时保证经济和技术效益。

目前,这样的3D技术事实上已经在存储芯片上得到了应用,例如英特尔推出的3DxPoint闪存技术,它在寿命、存储速度以及容量密度上都要比传统闪存高几个level,另外,三星和闪迪等存储厂商也已经在这一领域推出了各自的产品。

另外,业界还认为我们可以寻找硅材料的替代品,例如利用新型纳米材料可能做出接近分子大小的电路。为此,国内外已经在着手研究这些新的材料。

这众多可能成为硅的继任者之中,石墨烯的呼声无疑是最高的,任正非就曾公开表示,石墨烯时代颠覆硅时代。

石墨烯之所以能受到业界的青睐,是因为它比硅材料有过之而无不及,它是世界上最薄、导电性能最强的材料。石墨烯只有一个原子厚,并且具有强度高、导热和导电效高等优异特性,当石墨烯与与其他元素掺杂或复合也可具有半导体特性。

不过制约石墨烯商业化的是,这种材料目前仍然无法量产,而且石墨烯制备成本也一直居高不下,制造一克石墨烯材料比黄金还要贵出不少。

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