近幾年，“摩爾定律面臨失效危機”的聲音不絕於耳。根本原因在於隨著晶片設計及工藝越來越小，晶片製造工藝不斷接近物理極限和工程極限，晶片效能提升也逐步放緩，且成本不斷上升。然而，近日，晶片代工龍頭臺積電宣佈開始開發1。4奈米工藝之後，引發了業界對先進晶片工藝技術的質疑。從另外一個層面來看，這在一定程度上也是臺積電對三星宣稱在2025年量產2奈米工藝技術的迴應。
面對業界的質疑聲，目前以臺積電、三星等為代表的晶片代工廠商似乎仍在努力突破極限，為摩爾定律“續命”。預計，相對IBM以透過改進結構實現2奈米試產，臺積電的1。4奈米工藝技術預計還將利用聯合臺大、麻省理工共同研發出的一種新型半導體材料——半金屬鉍，以採用新材料的方法改進互聯接觸點，來實現先進晶片工藝技術的突破。那麼，隨著技術工藝無限接近矽電晶體的物理極限，未來晶片的發展極限是什麼呢？
GAA成跨越3奈米最佳工藝選項
當前，以5G、AI、元宇宙等為代表的新興科技產業快速崛起，對低功耗、小尺寸、異質整合及超高運算速度的晶片架構技術提出了更高的要求，也成為晶片巨頭決勝的重要手段。然而，剛剛跨過5奈米技術節點，臺積電、三星、英特爾又在3奈米及以下展開了新的先進工藝競賽。
實際上，自英特爾於2012年在22奈米晶片引入創新立體架構的“鰭式電晶體”（FinFET）之後，全球半導體業者都在此基礎上進行研發更先進的晶片。目前最先進的5奈米工藝也是採用FinFET 架構來製作。而臺積電在FinFET 技術架構上拔得頭籌，於2020年成功投入量產。不過，隨著技術工藝微縮至3奈米時，FinFET從架構上已很難滿足要求，因為會產生電流控制漏電的物理極限問題。
那麼，進入3奈米及以下工藝，要用什麼新工藝繼續提升電晶體密度呢？答案就是繼續“立體化”。簡單來說：如果能將電晶體像積木一樣堆疊起來，那麼就能有效減少電路的佔位面積，那麼電晶體的密度或許就能翻倍。新的工藝——GAA工藝（Gate-All-Around，全環繞柵極電晶體）就是沿著這個思路而誕生的。
儘管臺積電也曾表示，3nm晶片量產時間為今年下半年，並且鑑於成本和新工藝磨合問題，將繼續採用FinFET工藝，但從原理上來說，要想基於矽基晶片在單位面積的晶片上放下更多的電晶體，以3奈米工藝為節點，基本上是要放棄FinFET架構，需要採用新的GAA工藝挑戰摩爾定律極限。何況此次臺積電又目標指向1。4奈米工藝技術。
這裡順便介紹一下GAA工藝。我們可以把GAA工藝理解成目前FinFET的升級版，其相關的想法最早在1988年被提出。這項技術允許設計者透過調整電晶體通道的寬度來精確控制性能和功耗，而較寬的材料便於在大功率下獲得更高的效能；而較薄的材料可以降低功耗。GAA在從構造上主要有兩種形態，都可以實現3nm，取決於具體設計：一是環繞式閘極場效電晶體（Gate-All-Around FET ；GAAFET ），採用三層奈米線來構造電晶體（nanowire），柵極比較薄；二是三星已經採用的MBCFET（Multi-Bridge-Channel）電晶體結構（多橋溝道場效電晶體），其使用奈米片構造電晶體，將原有FinFET工藝中鰭狀改良成多路橋接鰭片，截面為水平板狀或者水平橢圓柱狀。據悉，三星已經為MBCFET註冊了商標。
根據國際器件和系統路線圖（IRDS）規劃，在2021-2022年以後，FinFET結構將逐步被GAAFET結構所取代。該架構即透過更大的閘極接觸面積提升對電晶體導電通道的控制能力，從而降低操作電壓、減少疏漏電流，有效降低晶片運算功耗與操作溫度。相對而言，GAAFET技術將溝道四側全部包裹，FinFET的柵極僅包裹溝道三側。
據悉，GAAFET 的晶片架構相比於FinFET，能以更小的體積實現更好的功耗表現，實際可縮減45%芯片面積、同時降低50%的能耗。至於1。4奈米工藝技術，臺積電必然也會採用GAAFET 架構，並藉由匯入低維度高電子遷移率材料以及特殊絕緣層材料等，來強化其在先進工藝的競爭優勢。GAAFET架構儼然已成為下一世代延續摩爾定律的最佳選項。
臺積電的“半金屬鉍”方案
有人認為，摩爾定律的核心是物理極限、散熱和成本。
大家都知道，摩爾定律並不是一條科學法則，把矽片上的電晶體越做越小是會遇到物理極限的。然而，這個極限尺寸具體是多少，產業界其實也一直在摸索。儘管GAA立體電晶體結構可為摩爾定律續命，但遲早有一天不斷微縮的電晶體將逼近物理極限，特別是電晶體的特徵尺寸——柵極寬度已經小到真的很難控制了。目前來看，無論是結構上的創新，還是新材料的引入，2奈米都將是一個非常關鍵的節點。然而，臺積電提出開發1。4奈米工藝，似乎在進一步挑戰這個物理極限。
當然，除了物理極限的問題，我們還要考慮散熱的問題。我們想象一下，上百億的電晶體整合在一個極度狹小的空間裡，任何電流經過都不可避免地帶來熱量。如果我們不斷提升電晶體的數量，那麼熱量的問題就變得更加棘手。目前晶片的熱量主要來自兩個方面：一是電晶體本身工作時帶來的熱量；二是金屬互聯層帶來的熱量。為此，產業界在尋找各種效能更佳、可替代矽電晶體的材料同時，還需尋找現有金屬互聯層的替代材料，包括阻擋層、接觸點材料等。
而臺積電預計將利用一種新型半導體材料——半金屬鉍，來實現1。4奈米這個新的極限尺寸，以及解決金屬互聯的散熱問題。2021年5月，麻省理工學院（MIT）的孔靜教授領導的國際聯合攻關團隊探索了一個新的方向：使用原子級薄材料鉍（Bi）代替矽，有效地將這些2D材料連線到其他晶片元件上。隨後，臺積電技術研究部門將鉍（Bi）沉積工藝進行最佳化，臺灣大學團隊則運用氦離子束微影系統將元件通道成功縮小至奈米尺寸，最終這項研究成果獲得了突破性的進展。這種材料被作為二維材料的接觸電極，可以大幅度降低電阻並且提升電流，從而使其能效和矽一樣，為未來實現半導體1nm工藝指明瞭新的發展方向。
當然，晶片工藝每一步的突破都是非常艱難的。儘管臺積電在1。4奈米這個極限尺寸上已經有了結構和材料上的支撐，將解決二維材料高電阻、低電流等問題，但要真正實現量產，預計遇到的困難要比想象的更多，比如製造2奈米工藝還需要光刻機等裝置支撐。
不過，除了物理極限、散熱的問題，我們也需考慮研發的成本與代價的問題。也正如上文所有闡述，我們都只盯著工藝節點的尺寸和方案的可行性，卻忽略了成本的問題。然而，根據完整的摩爾定律定義，積體電路上可以容納的電晶體數目在大約每經過18個月便會增加一倍，同時成本不明顯增加。
隨著新的工藝研發和生產投入越來越大，提高新工藝的效能越來越不具價效比，甚至新的產品研發工藝實現成本之高，已經到了任何一個10億級使用者以下的市場都消化不了的階段。正如有人評價，“半導體工藝達到5奈米時，其實已經接近矽基材料的極限，再更進一步到達3奈米及以下，投入的研發代價將非常巨大。生產出來的晶片，還是否具備市場推廣價值都很值得懷疑。按照現在的形勢發展下去，1奈米大概夢裡才有！”
據悉，一條7奈米晶圓廠生產線，不算很複雜的話，其投資總金額超過100億美元。那麼，5奈米，3奈米，2奈米呢？ 如果不考慮成本因素，摩爾定律似乎依然還可以沿著既有的軌道執行，但是如果加入成本的考量，摩爾定律就不是何時終結的問題，而是早已終結了很多年。因此，只有存在一個足夠大到能養活先進工藝晶片的市場，才是這場半導體先進工藝爭奪戰的根本意義所在。
未來晶片發展的“曙光”
如果要說未來晶片發展方向是什麼？答案有兩個：一是改進；二是創新。
首先談一下改進的問題。目前改進的大方向有三個：工藝技術的提升、研發新架構、先進封裝技術。整體來看，基於矽基的工藝技術的提升以及研發新架構、先進封裝技術對提高晶片的效能的空間已不大，而且要實現真正量產還需要從器件架構、工藝技術、裝置與材料等方面綜合解決。
同時，未來對晶片的算力要求必定會越來越高，而透過改進的方式提高晶片效能的方法肯定也有“算力不從心”的時候。想要晶片計算能力有突破性的進展，改進是不夠的，只有創新。而目前看來，兩個創新的方向是比較有希望的：碳基晶片和量子晶片。
先談一下碳基晶片。當矽基晶片突破1奈米之後，量子隧穿效應將使得“電子失控”，晶片失效（確切地說，5奈米甚至7奈米，就已經存在量子隧穿效應）。這種情況下，替換晶片的矽基底，也許是晶片進一步發展的可行出路之一。除了美國之外，一些國家提出利用拓撲絕緣體、二維超導材料，也有國家提出採用化合物半導體，比如氮化鎵，而中國似乎更看重碳基晶片。
目前，科學界普遍認為碳奈米管自身的材料效能遠優於矽材料，而碳管電晶體的理論極限執行速度可比矽電晶體快5～10倍，而功耗卻降低到其1/10。同時，基於碳奈米管的碳基電子技術歷經二十餘年發展，在材料製備、器件和晶體管制備等基礎性問題中也已經取得了根本性突破，其產業化程序從原理上看已經沒有不可逾越的障礙。
早在2013年，美國斯坦福大學就製造出了第一臺碳奈米管計算機；而到了2019年8月，美國麻省理工學院釋出了全球第一款碳奈米管通用計算晶片，裡面包含14000個電晶體。《自然》雜誌當時連發三篇文章推薦這項成果，可見當時的轟動性。不過，相對手機晶片動輒上百億個電晶體的規模，14000個碳電晶體還是差得很遠。目前，碳基晶片效能確實超越了同規格的矽基晶片，但製作工藝還遠遠不如矽基晶片成熟，即製造出高純度、高密度、排列整齊的碳奈米管陣列。
在這裡，我們要特別提一下北京大學彭練矛院士和張志勇教授團隊的科研成果——純度大於99。9999%的8英寸半導體碳奈米管晶圓材料、碳基CMOS邏輯電路晶片、柔性碳基晶片。這可能是最接近實用化的關於碳基晶片的研究。因此，儘管碳基晶片商用還有一段距離，但碳基晶片的未來確實很值得期待。
除了碳基晶片之外，量子晶片也值得關注。我們可以想象一下，在未來更高算力要求下，即使傳統的電子晶片整合精度小到原子尺寸，即逼近經典宏觀物理的臨界點，也無法滿足實際需求之後，那該做怎樣的選擇？那必然是從微觀世界的角度去尋求突破。在“後摩爾時代”，不少科學家將寄希望於量子計算。
量子晶片突破了經典積體電路基於二值邏輯的運算規則，轉而採用量子位，其整合有大量的量子邏輯單元，可以執行量子資訊處理過程，在諸如量子化學模擬、量子人工智慧等諸多領域具有巨大的潛力，有望突破傳統計算機的算力極限。但是量子計算機仍處於實驗室探索階段，而且對環境要求極為苛刻，距離真正的商用，也還有很長的一段路要走。
因此，目前來看，碳基晶片更有可能成為摩爾定律失效後晶片計算力的突破口，也將成為未來晶片發展的新曙光。我們也可以這樣理解，“摩爾時代的結束，也將是一個新時代的開始。”
作者：張河勳
EET電子工程專輯原創
