莫大康:英特尔45纳米芯片的伟大意义

英特尔45纳米处理器将于本月正式宣布量产，全球独家首次采用高k金属栅技术，英特尔为半导体制造技术带来了一次革命，从而使摩尔定律进一步得到了延伸。

摩尔定律己到终点？

摩尔定律象一盏明灯指引着全球半导体工业进步。如今摩尔定律不仅涵盖半导体,而且己延伸至计算机,硬盘等中。40多年来的实践证明了摩尔定律具有强大的经济生存能力。

回顾半导体发展的历程，之前总是由两个轮子来推动工业的进步,一个是不断地缩小特征尺寸，由0.25微米、0.18微米、0.13微米、至90纳米及65纳米，通常每两年时间跨上一个新的台阶；另一个是增大硅片直径，由6英寸、8英寸至目前的12英寸。业界通常总是以采用缩小尺寸优先。

更小的线宽尺寸是半导体行业努力进步的方向，线宽越小，芯片的功耗越小，另外，也可以减少芯片的面积，从而降低芯片制造的成本。

然而，线宽尺寸的缩小不可能永无止境,在CMOS晶体管工艺制造中采用二氧化硅作为绝缘材料，实质上已逼近极限。如在65纳米制程时，按等比缩小尺寸规律,二氧化硅绝缘层的厚度己降低至1.2纳米，约5个硅原子层厚度，意味着如果再继续缩小，将导致漏电及功耗急剧上升。

所以，如果半导体工艺制程技术无法不断地的改进，实际上，摩尔定律早在2002年时己经终止。

45纳米工艺制程是个分水岭

半导体业界早在多年之前己经预测到45纳米制程总有一天会到来,唯有用高k介质材料来替代传统的二氧化硅才能渡过难关。因为采用高k介质材料,(SiO的k为3.9,高k材料为20以上)从理论上相当于提升栅极的有效厚度,可以使漏电流下降到10％以下。

另外,由於高k材料的功函数通常与传统的多晶硅栅材料不匹配,所以必须用金属栅电极来替代,因此高k及金属栅材料的组合,己成为45纳米制程新的CMOS结构的分水岭。

英特尔公司此次在全球首次推出45纳米高k金属栅结构的处理器芯片其意义十分深远。首先显示英特尔公司的非凡勇气,可以比喻为"第一个敢吃磅蟹的人" ,因为由此可能直接打开通向32纳米及22纳米的通路,扫清工艺技术中的一大障碍。

所以连戈登摩尔自己也坦诚,此举是CMOS工艺制程的又一里程碑,将定律又延伸了另一个10至15年。

英特尔45纳米芯片处理器优点

与英特尔的65纳米处理器芯片比较,面积由143平方毫米,下降到107平方毫米。通俗地说每个12英寸硅片可以多产出36％的处理器芯片,其经济意义非常重要。

另外,通常在一个双核处理器芯片中容纳有4亿个晶体管(4核处理器含有8亿个晶体管)时,平均每平方毫米有373万个。

英特尔45纳米处理器芯片的优点,可以归纳为:

· 芯片上晶体管密度提高两倍
· 功耗下降30％
· 芯片速度提高20％
· 栅极漏电流减少至十分之一

图1. 英特尔的高k/金属栅结构与传统结构的比较

摩尔定律还能有多久？

这是一个目前还无法确切回答的问题。 观察英特尔的工艺路线图,反映整个工业界还较理性，因为目前连32纳米制程的光刻量产方案还有点举棋不定。因此讨论22纳米制程之后究竟走向哪里，现在不可能有定论。

资料来源：英特尔网站
图2. 英特尔的逻辑技术发展蓝图

可以确信，在32纳米制程及以下时，半导体制造己转向"材料时代"及下一步的"原理创新"时代。无论如何物理极限无法避免，所以摩尔定律总会有终结的一天。目前业界笼统地表示，摩尔定律还有10年至15年，实际上如依英特尔的工艺制程路线图，仍坚持每两年一个台阶，到2015年时己达9纳米。

最新报道,美国NRI,纳米技术研究中心发布观点认为,半导体工业於80年代中期,当时盛行的双极电路工艺,Bipolar之所以逐步被CMOS工艺取代,主要原因是双极工艺的尺寸(1985年时半导体工业的特征尺寸为1.5微米左右)再缩小下去,其电路的功耗上升太快;而如今CMOS工艺在45纳米制程及以下时,如不采用新型材料与结构,可能会面临同样的功耗上升而无法承受的宿命。

业界正在努力寻求下一步可能替代CMOS工艺的各种方法,预计在2010至2015年期间可能会开始导入。不管如何,摩尔定律在接近2020年时将"寿终正寝",这是NRI的观点。

实际上，讨论摩尔定律还有多长时间并没有多少实际意义，16纳米或是9纳米？一则工艺制程技术还在不断地进步，想信一定会有新的替代技术呈现;另外，也可能制程技术本身是可行，但是从经济上己无法承受，俗称后摩尔的经济定律开始起作用。

任何时候，可能及需要是个平衡点，市场会作出最终的决策。

莫大康先生简历

半导体业内资深人士，中国电子报特约撰稿人

莫大康先生是亲历中国50年半导体行业发展历程的行业观察家。

莫大康先生于1963年进入半导体行业，并先后就职于中国科学院微电子所、中科院东方科技公司、美国应用材料公司。2002年退休后，莫大康先生仍然活跃于半导体行业，并曾在各种报刊、杂志上发表文章100余篇，近期著有《台湾存储器业的梦》、《全球12英寸生产线的进展》、《全球代工竞争力分析》和《工业变革时代谁将真正受益》等文章。

从业经历：
1958-1963 浙江大学半导体专业
1963-1987 中国科学院微电子所计划处长
1987-1995 中科院东方科技公司总经理
1995-2002 美国应用材料公司(中国)技术服务总监
2002退休 《中国电子报》特约撰稿人
《电子产品世界》编委
《半导体科技》顾问
安邦咨询公司顾问
美国应用材料中国有限公司资深顾问