生效条件正在变化，摩尔定律到尽头了吗？

时间：2022-05-16来源：佚名

在过去的57年中，摩尔定律一直是指导半导体行业发展的黄金法则。即使驱动摩尔定律生效的条件正在发生改变，它也将继续指引行业前行。

1965年，时任仙童半导体公司研发总监的戈登•摩尔撰写了一篇关于未来10年内半导体芯片发展趋势的文章，对当时芯片生产的技术能力和经济效益进行了大胆预测：

“在最小成本的前提下，单个芯片上的元器件数量基本上是每一年翻一倍。并且至少在未来十年保持这个增长速度，到1975年单个芯片上将集成65,000个元器件。”

这一预测实际上也是对当时半导体行业惊人的发展速度的真实写照。不过，摩尔本人后来形容这是“一个大胆的推断”。但就是这样的一个推断，在半导体行业不断的变革中得到了多次证实，同时，业内人士也在此基础上不断对其进行延伸。

虽然摩尔定律成功指引了半导体行业发展，但事实上，它从来就不是科学意义上的一则真正“定律”。诚然，它描述了半导体行业发展中取得的一系列令人印象深刻的成就，但它的预测更像是半导体行业寄予自己的一个雄心勃勃的目标或路线图。它之所以被广泛采用，更多的是芯片制造商出于经济原因——希望芯片的功能能以一个可承受的价格来实现——而不是基于任何物理原理。

一个不断变化的常数

在过去的50多年里，摩尔定律不断演进。摩尔关于以最小成本制造复杂芯片的最初预测，也在演进过程中被转述成各种各样的表述，现在这个定律最常被表述为半导体芯片可容纳的晶体管数量呈倍数增长。

这一速度随着行业和技术的进步而不断变化。1975年，摩尔修正了自己的预测：晶体管数量翻倍的时间从最初的一年上升到两年。尽管增速有所减缓，但摩尔定律作为半导体行业飞速发展的本质指引仍具有重要意义。

让芯片再小一些

摩尔认为，增加芯片面积、缩小元件尺寸以及优化器件电路设计是实现晶体管数量翻倍的三个重要因素。

元件尺寸缩小在很大程度上是由光刻工艺和技术的发展推动的。在过去的几十年里，光刻技术的发展经历了减小曝光波长 (UV光)，增加投影物镜的数值孔径 (NA)，同时引入浸润式光刻技术，以及多重图形技术等。

光刻技术的进步使得制作出更小尺寸芯片成为现实，芯片制造商可以在同样大小的晶圆上封装更多的晶体管，使芯片性能得以增强，同时保持低廉成本。而芯片尺寸的不断缩小也正是半导体行业在过去40多年的时间里一直遵循摩尔定律的体现。

摩尔定律的尽头？

更小的晶体管运行速度更快，所需功率更小，因此，摩尔定律已经成为不断提高芯片性能和能效的代名词。然而，当芯片缩小到一定的程度，过小的尺寸势必会对晶体管的工作产生影响，进而打破了尺寸、性能和功耗之间的平衡。

目前，大多数芯片中使用的晶体管类型在2000年代中期接近了这个临界点。虽然晶体管仍在持续变小，但由此带来的芯片性能的改善却逐渐趋缓。

探索新的前进道路

不过，正如摩尔在1975年所说的那样，制造更小的尺寸只是提高芯片性能的一种方法。几十年来，半导体行业还通过元件和电路的巧妙设计——用于制造晶体管的材料和结构的创新——提升了芯片性能。这种方法被称为“设计缩放”。例如，使用 “低介电常数材质”等材料可以改善晶体管的电气性能。

与此同时，新的晶体管架构源源不断地被开发出来，以克服传统晶体管的尺寸限制。为此，业界引入FinFETs技术，将晶体管的栅极由平面结构改成立体结构。它也是首个被称为3D晶体管的新型晶体管。

尺寸和元件的缩放涉及晶体管本身的演变。近年来，芯片性能的提高也是通过系统层面的创新实现的，即允许使用现有的晶体管技术来进一步扩展。

实现这一目标的方法之一是通过更大的片上集成，如将处理器、存储器和辅助功能整合到一个芯片上的片上系统解决方案，以及3D NAND闪存，即在同一区域内制造多层闪存以增加存储容量。另一个选择是依靠先进封装技术将更多的优化功能模块集成在一起。

未来的十年

在过去的15年里，这些创新方法使摩尔定律依然生效且状况良好。从整个行业的发展路线来看，它们将在未来十年甚至更长时间内让摩尔定律继续保持这种势头。

当然，在元件方面，目前的技术创新足够将芯片的制程推进至至少1纳米节点，其中包括gate-all-around FETs，nanosheet FETs，forksheet FETs，以及complementary FETs等诸多前瞻技术。此外，光刻系统分辨率的改进（预计每6年左右缩小2倍）和边缘放置误差（EPE）对精度的衡量也将进一步推动芯片尺寸缩小的实现。

ASML作为半导体行业的引领者之一，始终为行业提供创新支持。我们的EPE路线图是全方位光刻技术的关键，它将通过不断改进光刻系统和发展应用产品（包括量测和检测系统）来实现。