新技术使芯片达到5纳米 手机电脑将更快更省电
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为跟上摩尔定律晶体管尺寸不断缩小 1965年,英特尔联合创始人戈登·摩尔提出了他的著名理论:半导体芯片上可集成的元器件的数目每12个月便会增加一倍。也就是说,同样规格的芯片的成本,每12个月便会降低一半。1965年,每个芯片可以容纳50个晶体管,摩尔预测到了1970年,每个芯片将能够容纳1000个元器件,每个晶体管的价格会降低90%。 经过简化,这个发现被归纳成了“摩尔定律”:每个芯片上晶体管的数目每12个月将会增加一倍。 这个发现不基于任何特定的科学或工程理论,只是对真实情况的总结。硅芯片行业注意到了这个定律,没有简单把它当作一个预言性质的观察,而是作为一个重要的规则,成为整个行业努力的目标。 一个芯片上整合了数以百万计的晶体管,晶体管实际上就是一个开关,晶体管能通过影响相互的状态来处理信息,电子流过晶体管在逻辑上为“1”,不流过晶体管为“0”,“1”、“0”分别代表开、关两种状态。在目前的芯片中,连接晶体管源极和漏极的是硅元素。硅之所以被称作半导体,是因为它可以是导体,也可以是绝缘体。晶体管栅极上的电压控制着电流能否通过晶体管。 为了跟上摩尔定律的节奏,工程师必须不断缩小晶体管的尺寸。但是随着晶体管尺寸的缩小,源极和栅极间的沟道也在不断缩短,当沟道缩短到一定程度的时候,量子隧穿效应就会变得极为容易,换言之,就算是没有加电压,源极和漏极都可以认为是互通的,那么晶体管就失去了本身开关的作用,因此也没法实现逻辑电路。 因此,这么多年来芯片产业基本上按摩尔定律在发展,大概每18个月芯片的性能就能提高一倍,但达到这个指数增长的成本越来越高昂,现在所需的研究人员大概是上世纪70年代的1000倍。 芯片制造工艺不断突破天花板 硅芯片工艺自问世以来,一直遵循摩尔定律迅速发展。在摩尔定律提出后的30年时间里,简单的几何比例缩小(使芯片上所有元器件越来越小)就保证了稳步的收缩,验证了摩尔的预测。 每次遇到瓶颈,工业界都会引入新的材料或结构来克服传统工艺的局限。当然这里面的代价也是惊人的,每一代工艺的复杂性和成本都在上升,现在还能够支持最先进工艺制造的只剩下英特尔、台积电、三星等为数不多的厂商了。 虽然有了这些新技术,行业依然触到了天花板。将光刻过程用于芯片,把芯片形式转换成硅片一直受到相当大的压力:目前,波长193纳米的光波被用来制造14纳米的芯片。其他波长的光波不是不可实现,只是徒增了制造过程的复杂性和成本。期待了很久的极短紫外线,波长13.5纳米,可以解决这个约束,但技术工程师已经证明批量生产尚有困难。 |
