7纳米芯片能拯救“摩尔定律”吗?

就在芯片的生产工艺越来越难以进一步提高的时候，IBM的一项最新研究让人们看到了“摩尔定律”似乎依然有效―注意，这句话的主语并不是定义了这一定律的芯片巨头英特尔。

今年7月，英特尔就表示，对于最新的10纳米芯片的量产时间，将由预订的2016年下半年，延迟到2017年下半年。此前升级14纳米芯片的生产工艺时，英特尔就推迟了6个月。

多年以来，英特尔基本以每两年一次的频率改进芯片的生产工艺，与其联合创始人戈登・摩尔（Gordon Moore）50年前提出的“摩尔定律”保持一致。然而近年，因为财力的限制，以及芯片工艺越来越接近半导体的物理极限，追赶“摩尔定律”愈加困难。

但与英特尔的推迟计划几乎同时，IBM实验室却宣布已经生产出了全球第一个7纳米原型芯片。

IBM去年8月就曾过一款True North芯片，在邮票大小的芯片上可以放下54亿个晶体管。而这次的7纳米芯片仅有指甲盖大小，却能放下超过200亿个晶体管。目前主流的14纳米芯片能容纳的晶体管数量不到100亿。

如果7纳米芯片最终实现量产，这就意味着，装有这种未来芯片的各类消费电子产品将拥有更小的体积，还可以速度更快、内存更大、耗电更少―想想物联网和虚拟现实等火热的概念，就会知道这种芯片的需求将有多大。

所谓7纳米芯片，即芯片电路上最窄线条的宽度仅有7纳米，这个数字相当于发丝直径的万分之一。

一般认为，硅尺寸的理论极限就在10纳米的边缘，所以IBM这次的突破，主要归功于它使用了锗化硅这种材料。

在元素周期表中，锗和硅位置相邻，属于同一族元素，各方面性质相近。不过锗的电子迁移率要高于硅，是后者的2至3倍。所以利用锗可以制造出体积更小、速度更快的集成电路。

其实，摩托罗拉曾经尝试过用锗做芯片。1995年，摩托罗拉推出了内置锗晶体管的车载收音机，然而产品投入市场后没多久，摩托罗拉却收到了大量的客户投诉。他们表示，汽车经过烈日暴晒后，车载收音机就不能用了。研究人员后来发现，在高温炙烤后，锗的性质会发生一些变化，导致其不能正常工作。所以摩托罗拉最终还是选择了性质更加稳定的硅。

另外，硅的来源非常广泛，在地壳元素中占比27%，从沙子中就能提取出纯度较高的硅。而锗的总量非常少，仅占地壳元素的百万分之七，并且分布分散，几乎没有较集中的锗矿，这使其工业化开发难度非常大。

IBM的锗化硅技术就是利用了锗迁移率优势的同时，又想办法避免了其他方面的不足。而除了材料，它在芯片的制作过程中也采用了不同于其他芯片生产商的加工工艺。

包括英特尔、台积电在内的几大芯片商，目前生产芯片的主流技术是沉浸式光刻技术，一种通过水或者其他液体使光发生弯曲，进而达到提高刻画精度的工艺。而IBM此次使用的则是极紫外光刻技术（EUV）。

由于芯片上的结构极其微小复杂，一般工艺很难在面积很小的硅晶圆片上做出大规模的电路，只能使用光。制作芯片的第一步像是在硅晶片上雕刻，硅晶圆片是底板，光是刻刀。除了底板和刻刀，还要有提前画好电路图纸的模板。这样，光透过模板就可以在硅晶圆片上“刻”画出电路。

光的波长越短，芯片可以达到的精度和集成度越高，体积则相应变小。但波长越短，对刻画工艺也提出了更高的要求，因此刻画工艺决定了芯片能达到的最小尺寸。

把硅晶圆片浸入到液体中能够缩小波长，液体的折射率就是波长缩短的数字―英特尔的22纳米芯片，就是通过传统光刻技术配合这种沉浸式光刻技术的方式研制出来的。

而EUV技术是一种更复杂的技术，它是一种以波长为10至14纳米的极紫外光作为光源的光刻工艺，可以实现更高的芯片精度。不过，2010年英特尔曾经表示，准备把沉浸式光刻技术沿用至11纳米制程节点，这也说明，它将延后启动EUV技术―毕竟，找到一种折射率更高的液体，比研制出新的光刻技术要简单得多。

事实上，在沉浸式广科技术方面，整个芯片行业现在也都面临着一个巨大的挑战。厂商们发现，折射率在1.65以上的液体对光刻设备有着过高的要求。“我们面临的局面是，或者停止缩小尺寸，或者继续推动EUV技术。”比利时硅光子技术公司IMEC的技术总监Kurt Ronse说。

EUV技术被很多科学家看做是保证“摩尔定律”继续有效的必经之路，但是它在实验室出现了十多年至今还无法突破所有瓶颈。

波长在10至14纳米的光几乎可以被任何物质甚至是空气吸收，所以刻写硅晶圆片的过程要在真空的环境中进行。

在传统的光刻工艺中，光要穿过刻画着电路图纸的掩膜。然而一旦穿过掩膜，绝大部分光都会被吸收。在这种情况下，EUV掩膜必须采用反射技术。反射镜面是涂有多层钼和硅的凹面和凸面镜，特殊的涂层可以保证70%的极紫外光被反射，如果没有涂层，极紫外光也会在发射的过程中被完全吸收。

此外，通过一次次极为精准的反射，被调整了路径的光线在到达硅晶圆片的时候才能够投射出电路的图案。这还要求镜面绝对平滑，允许误差仅为一个原子大小，图层中任何小的缺陷都会影响最终的电路图案，从而导致芯片功能出现问题。

正因为这些难以完美解决的问题，EUV技术的研究耗资巨大。IBM此前曾投资了30亿美元用于推进计算机技术的进步。而需要注意的是，这次，它仅仅研制出的是7纳米的原型芯片，并且还无法给出该芯片量产化的时间表。

当然，即使如此，也足够令技术界兴奋。不过他们需要意识到的是，EUV技术并不是能让“摩尔定律”保持有效的稳定保障。毕竟，当技术的某一关键环节已经接近物理极限的时候，现有的技术恐怕难以支持持续突破了。

“最初的预言只预测了10年，我当时认为这已经是一段漫长的时间。然而，这样的定律持续了50年，这令人惊叹。”摩尔曾经表示。

是的，该定律已经超额完成任务了。