簡介：芯片承載著電子工業的興衰,50多年來，集成電路（IC）一直按照摩爾定律前行。但是，IC芯片的密度和計算機的速度能夠一直按照摩爾定律前行嗎？又有哪些物理極限和技術極限需要突破？最小晶體管到底可以由多少個原子構成？是否有能夠替代硅的電子集成制造技術？這些問題困惑并激勵著人們

芯片承載著電子工業的興衰

50多年來，集成電路（IC）一直按照摩爾定律前行。但是，IC芯片的密度和計算機的速度能夠一直按照摩爾定律前行嗎？又有哪些物理極限和技術極限需要突破？最小晶體管到底可以由多少個原子構成？是否有能夠替代硅的電子集成制造技術？這些問題困惑并激勵著人們去尋找新的突破口。摩爾定律會把我們引向何方？

1959年，著名科學家理查德·費曼（Richard P.Feymann，1918~1988》在美國物理學會上作了一次《底層有足夠空間》的報告。學術界普遍認為，以該文為標志，人們開始了微納技術的研究。IC技術的發展也證明了費曼的這一觀點。

在芯片產業的初期階段，如二十世紀六七十年代，當時的芯片規模很小，只有幾十個到上百個晶體管。芯片的設計通常是由設計人員在圖紙上手工繪制晶體管版圖，并且手動計算測試向量，用于產品的測試。這些測試通常可以保證芯片的功能和每個晶體管都被測試到。

隨著芯片產業的發展，今天的芯片可以集成數十億晶體管，有上百億的連線，最新的Apple A12 Bionic SoC有69億個晶體管，由臺積電的7nm工藝代工制造。用手工設計和計算的方法來實現芯片的設計和測試是一個不可能完成的任務。當芯片內部的晶體管數目呈指數級增加，芯片的輸入輸出管腳并沒有指數級地增長。比如一個集成了數十億晶體管的芯片通常只有幾百個管腳可用于測試。如何利用這些有限的管腳來充分測試芯片內部每個晶體管和每條互連線便成為了一個巨大的挑戰。

另外，如果芯片設計中僅僅考慮芯片功能的測試，這些針對功能的測試向量將遠遠不足以保證芯片中數目龐大的晶體管都被測試到，這樣做直接的后果是芯片的測試質量得不到保證。唯一的解決辦法是在芯片設計中引入測試的模塊，或者說進行可測性設計，從而來保證我們可以檢測到芯片生產中的制造缺陷。

IC芯片越做越小，而功能越來越強，這得益于光刻技術和微納技術的發展。1971年，英特爾（Intel）開發出第一代也是世界上第一個微處理器芯片4004，包含了4個芯片，由2300個晶體管組成。該微處理器是為便攜式計算器而研發的，供應給日本計算器制造商。英特爾的第二款微處理器芯片8008被用到計算機中，推動了微處理器芯片的研發。1982年，英特爾的微處理器80286采用了1.5μm的工藝，計算機的主頻為10MHz，芯片面積68.7mm2；2000年，奔騰4由4200萬個晶體管組成，芯片面積224mm2，采用0.18μm工藝；2008年，i7微處理器的晶體管已達7.31億個。

一般來說，現在把互連金屬線條間距離的一半稱之為半間距，可用來衡量或定義每一代技術的節點。光刻中臨界尺寸或最小特征尺寸取決于光源波長和數值孔徑等因素，臨界尺寸是所定義的半間距的兩倍。按照尺寸縮比要求，每兩年或三年工藝中最小線條技術節點的尺度要縮小到原尺寸的70%。用標度因子表示為S=0.7×，稱之為登納德標度。理想的同比例縮小是指每一代產品，其場效應管溝道長、寬、柵極氧化層的厚度、結深、電源電壓、閾值電壓等都要縮小，并按照這個因子來計算。1995年，英特爾推出高性能奔騰處理器，技術節點和實際柵長均為350nm。從350nm以下，每代產品中該數值只是名義上的標稱數值了。實際上，CMOS結構中多晶硅的門長度要比這個技術節點數值更小。

2011年，英特爾基于22nm工藝制作了一種四核常春藤橋處理器：“Ivy Bridger，Core i7”芯片，在160mm2上有14億個晶體管。2015年以后，有了更小的加工線條，如10nm、7nm、5nm等。比如，現在采用紫外光（UV）光刻、電子束曝光，甚至X射線光刻方式，可以制備小于10m以下的加工線條。技術節點的含義隨時間也在不斷發生變化。近些年，受控于各大半導體公司，技術節點名稱只是名稱而已，與具體的數值無太大相關性了但總的來說，與最小特征尺寸有關。對DRAM來說，光刻的線條半寬越小越好；對MPU來說，柵長越小越好。

閃存是日本東芝公司舛岡富士雄（Fujio Masuoka）于1984年發明的，是一種可移動的電可擦寫存儲介質，結構類似MOS管器件，在溝道和柵極之間有一個氧化絕緣包奄的多晶硅浮柵，用于存儲電荷作為信息。閃存的結構特征尺寸已經達到14mn。2005年，閃存的容量是2GB；2008年，16GB；2009年，32GB；2011年，64GB。2013年，128GB，包含640億個元件，已經是當初摩爾預言的65000個元件數的100萬倍了。這個數字相當驚人。同微處理器相比，閃存不屬于電發熱器件，它只有在寫入或擦除信息的時候才消耗很少的電。因此，可以多層疊加在一起，其密度相當大。