从半导体顶会IEDM看英特尔研究进展：如何推动摩尔定律超越2025？

从半导体顶会IEDM看英特尔研究进展：如何推动摩尔定律超越2025？

作者 | 陈彩娴

编辑 | 岑峰

从顶会看各大厂商的研究重点与最新成果，是一直以来的传统。

今年12月11日至15日，半导体领域最高顶会IEEE国际电子元件会议（International Electron Devices Meeting, IEDM）在美国旧金山召开。

具有67年历史的IEDM会议是微电子器件领域的顶级会议，在国际半导体领域享有崇高的学术地位与广泛的影响力，被誉为「微电子器件领域的奥林匹克盛会」，是国际著名高校与英特尔、台积电、三星、IBM等企业报告最新研究成果与技术突破的主要平台。功率半导体领域的顶级国际会议 ISPSD 就是从IEDM会议中分离出来的。

在今年的IEDM上，各大厂商依然有着十分卓越的表现，英特尔尤为出色，一次性中了8篇论文，展示了多项技术突破，可谓「硕果累累」。

据英特尔制造、供应链和营运集团副总裁卢东晖博士介绍，英特尔在IEDM 2021上的研究突破主要集中在 微缩技术、非硅基半导体与物理学新概念等三方面。基于这些研究突破，英特尔表示，他们有信心让摩尔定律超越2025年，并在不久的未来重新夺回在制程技术上的领导地位。

1 研究背景：从芯片的制造说起

据调查，美国成年人平均每天使用电子设备的时间超过12个小时，包括电脑、移动设备、电视机与汽车等等，而这些设备的背后都有一个重要的驱动者，就是「芯片」。

毫无疑问，芯片能改善我们的生活、提高生产力并推动经济增长。

美国的一个SI数据显示，每一个半导体能带来6个附加工作，一个现代化的晶圆厂大约需要2000人，所需的支持部门能大概提供12000个工作岗位。

此外，2020年全球半导体行业的营收是4400亿美元，而Gartner预测，到2030年，半导体行业的营收大约会增加到一万亿美元。

图注：芯片对计算、通信、医疗、交通、物联网等等行业的重要性

各行各业对芯片的依赖加强，也意味着芯片的短缺会对其他行业产生重要影响。比如，今年9月份，美国咨询公司艾睿铂（AlixPartners）就发布新预测，称2021年汽车行业因为芯片短缺减少了2100亿美元的营收。

那么，芯片是如何制造的？

如下图所示，一枚芯片的生产需要经过设计、光罩制作、制造、晶片分拣、封装测试与成品出货等6大环节。

图注：芯片的制造过程

制程技术是制造一环的关键，因为该环要实现的目标是达到大规模量产，且良率保持在90%以上。据卢东晖博士介绍，制造环节的耗时也是最长的，「新一代制程技术的研发至少要4-6年，所以许多7nm、10nm的研发工作从4、5年前就已开始。」

目前，大规模制造所需的最先进技术是 逻辑电路制造技术，全制造流程大约为5个月，历经2000多道工序，且过程越来越复杂。

2021，英特尔发布了全新的制程节点命名体系，「制程节点」不再指代纳米节点，而是指 Intel 7、Intel 4、Intel 3 与 Intel 20A。

在摩尔定律下，制程节点至关重要。更高的组件密度能让现有功能模块（IP）占用更小的芯片面积，让功能进行耗能更低、功效更快的运算，并拥有更高的动态范围。

所谓「更高的动态范围」，就是能有更多的晶体管来帮助优化设计，如手机在待机状态的耗能更低、玩高清游戏的速度提升，更好地适应用户需求。如果手机里的晶体管数量有限，则无法进行太大的工艺优化。

「这也是制程节点为什么如此重要的原因。」卢博士解释，「对于真正从事半导体行业的人来说，制程节点的重要性在于它可以带来可预测性。摩尔定律是一个经济定律，但它让整个工业界有了一个前进的方向。比如在晶圆厂做研发，需要设备供应商、材料商、人才供应、基建，如果大家都遵循统一的时间轴（即每18个月晶体管密度翻一番），那么供应效率就会大大提高。」

图注：制程节点的重要性

除了制造，卢博士还提到， 芯片的封装也越来越重要。

如下图英特尔的处理器示意图所示，中间的裸片被固定到左侧的基板，并被右侧的散热片所覆盖，这个封闭的结构被称为「封装」。这个过程能将晶片上微米大小的功能模块连接到计算机主板上毫米大小的功能模块，保护晶片不受污染、为晶片散热和供电，并逐渐以全新的方式整合多个晶片。

图注：英特尔芯片封装示意图

传统的封装功能较为简单，主要是防水、隔尘、散热，现在的封装还起到了一个额外的重要作用，即「重新架构」。

随着芯片的功能越来越多，将所有功能仅集成在一个芯片上的成本非常高，因为有些功能模块不需要更新制程，而有些功能模块则需要非常高的先进制程。这时，最好的办法是根据自身的技术将不同功能模块分开，然后通过封装将功能模块集合在一起，利用局部优化来达到重新架构的目的。

「对用户来说，体验是一样的，但对于制造商来说，这样既可以优化成本，也可以优化电路设计。」卢博士总结。

台积电将新一代的封装方式称为「Chiplet」，即「小芯片/芯粒」，而英特尔称为「3D封装」（3D Packaging）或「先进封装」（Advanced Packaging），一是为了确保芯片设计不局限于单一的制程技术，其次是可以给客户提供更好的定制化服务。

无论是手机、汽车或其他电子设备，功能都在不断增加，对芯片的要求也会越来越大，紧接着便是大量的计算，而摩尔定律的意义所在就是继续推进与加速计算功能的优化。基于当前摩尔定律的发展需求，英特尔研究团队在制程工艺与封装技术上不断钻研，希望推进摩尔定律的创新。

2 IEDM论文突破解读

据了解，本次英特尔之所以能在IEDM会议上取得卓越成果，离不开其内部的一个关键部门：英特尔组件研究（Component Research）团队。

他们主导了英特尔多项先进技术的组件研发，被称为「探路者」。比方说，英特尔称为RibbonFET、外界称为「Gate All Around」（GAA）的 Intel 20A，该部门从大约15年前就开始研究。

图注：组件研究团队的创新

英特尔组件研究团队聚焦在三个方向，分别是微缩技术、为硅注入新功能与物理学新概念。

微缩技术：又称为「transistor scaling」，主要目的是使晶体管的面积变小、提升每个封装内多张晶片驱动每瓦性能，流行的方法包括全新的晶体管设计、光刻技术的突破与先进封装（advanced packaging）等等。

而为硅注入新功能，是因为用硅做功率器件，尤其是将硅基（CMOS）应用到汽车或高压器件电子设备中不大适用，所以需要为硅注入新功能，获得更高效的功率传输、更大的内存资源与材料突破，扩展芯片极限以迎合未来的功率与内存需求。

探索物理学新概念，是从量子力学出发，寻找全新的功率器件，建立全新的电路模型，用新片物理为下一代重构计算，最大程度地增效节能。

今年，英特尔组件研究团队被IEDM接收的八篇论文也是集中在上述的三个方向。

1）微缩技术

在至关重要的微缩技术一块，英特尔便取得了三项重要突破（如下）：

• 解决混合键合技术（Hybrid Bonding Interconnect，HBI）的设计、制程工艺与封装难题，采用化学机械抛光和沉积的优化，保持介电层的平面性、减少翘曲，达到了超过10倍以上的互联密度提升；
• 通过3D CMOS实现30%至50%的面积微缩，提高面积利用率，是英特尔在全环绕栅极（GAA）微缩技术探索上的又一突破；
• 突破2D器件。传统的CMOS主要有Source、Drain、Gate和Channel，英特尔此次将Channel变成了一个2D材料，可以制作更短的通道，并克服硅的微缩限制，同时改进了单原子层晶体管的接触电阻。

2）为硅注入新功能

近年来氮化镓基（GaN-based）功率器件在国内十分火热，因为它可以直接作出70伏的晶体管，而硅不能。

在IEDM 2021上，英特尔在300毫米晶圆上首次和硅基CMOS即成氮化镓基功率器件，能够更适配高电压的应用，提升大规模制造可能性。此外，他们提出新的铁电存储器（FeRAM），基于新的物理原理实现了2纳秒的读写能力和超过1021次方的读写周期。

图注：英特尔的3D CMOS集成

3）物理学新概念：拥抱量子领域

• 首次在室温下实现磁电自旋轨道（MESO）逻辑器件的实验，这表明未来有可能制造出基于纳米尺度的磁体器件的新型晶体管；
• 和比利时微电子研究中心（IEMC）合作，首次演示一种利用磁畴壁位移来实现逻辑和内存功能的自旋扭矩器件，与当前使用的布尔门相比，可以带来更紧凑的电路设计；
• 与300毫米CMOS制造兼容的完整的量子比特制造工艺流程，加速量子计算技术的微缩。这表示， 当量子制造工艺成熟以后，可以在现有的晶圆厂直接改造， 而无需再投入数十亿美元建一个工厂，对量子计算技术的微缩有革命性意义。

3 学术研究产业化

论文成果能否产业化，也一直是工业界与学术界所共同关注的问题。此次英特尔在IEDM上发表8篇研究论文，大多是从产业应用的角度出发，但距离正式赋能芯片制造还有多久？

卢东晖博士谈道：「目前混合键合互连技术（HBI）在产业上已经有所应用。今年7月，英特尔便在加速创新制程工艺与封装技术的线上发布会中提到，Foveros Direct技术预计会在2023年投入量产，Intel 20A中所用到的RibbonFET技术也预计会在2024年推出。」

目前，在半导体行业，只有英特尔、台积电与三星在FinFET上投入量产，其他厂家大多止步于14nm。对此，卢东晖解释，主要还是处于经济考虑：

「要在先进制程技术上取得突破，必须投入大量资金，建厂、招人等等，如果年营收没有达到100亿美元，肯定会赔钱。而年营收可以达到100亿美元的，就只有英特尔、台积电与三星这三家公司。像FinFET流片一套就需要几亿美元，国内有几家设计公司有这么大的产能支撑？小米、海思可以，但大部分的公司是负担不起的。它需要持续的创新与投入。」

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