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摩尔定律,怎样延续
发布日期:2024-09-18 09:20    点击次数:103

(原标题:摩尔定律,怎样延续)

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来源:内容编译自economist,谢谢。

在荷兰埃因霍温的一座无菌、开阔的建筑里,ASML(光刻开拓制造商)最新的巨型开拓静静地运转着。这台重达150吨、大小相当于双层巴士的机器为东谈主类提供了一种最新情势,去作念自冰河期间以来一直在作念的事情——在石头上“书写”,也即是光刻。这里的“石头”是硅片,书写是通过光来完成的。

这台机器每秒钟向真空室中喷射5万个锡滴。激光将每个锡滴加热到220,000摄氏度,温度是太阳名义的40倍。这个进程将锡滴调度为等离子体,开释出波长极短的光(极紫外光,简称EUV)。这些光束经过一系列光滑到皮米级(万亿分之一米)的反射镜反射后,照耀到包含芯片电路蓝图的掩模上。

EUV光束从掩模上反射,再将瞎想投射到涂有一层感光材料(光刻胶)的硅片上。硅片被精准迁移,以便图案不错被一次次类似打印;一个硅片不错用来制造数百个芯片。时时情况下,被光照耀的光刻胶(表现的部分)会被洗掉,在硅片上造成一个“模板”。后续的机器会蚀刻掉部分材料,植入离子或在“模板”上千里积金属,造成芯片的一层。然后,再加上一层新的光刻胶,再投射一个新的图案,再进行一层蚀刻。一个当代芯片可能需要几十层这么的打印。

ASML最新的EUV光刻机每台资本越过3.5亿好意思元。它们突显了半导体行业的一个趋势:跟着芯片中主要的电子元件——晶体管——的尺寸变得越来越小,制造这些元件的器具和工场却变得越来越大、越来越上流。好意思国智库“高出量度所”的布莱恩·波特(Brian Potter)揣测,上世纪60年代末,建造和装备一家半导体制造工场(简称“晶圆厂”)的资本按今天的货币筹算简略为3100万好意思元。而台湾巨头台积电(TSMC)在亚利桑那州开拓的最新晶圆厂的资本则高达200亿好意思元一座。

渺小的开关

这些晶圆厂咫尺坐褥的晶体管数目以万亿计。每个晶体管都有两个端子,称为源极和漏极,两者由一个硅通谈分隔。第三个端子称为栅极,位于通谈上方,执法源极和漏极之间的电流流动。当栅极施加电压时,电流从源极流向漏极。当莫得电压时,电流住手流动。这种通断气象对应二进制中的1和0。

不管一个筹算机门径何等神奇,其运行的硬件本色上都是一组按照电路连结的开关,字据它们之间的连结情势进行开和关操作。简便的电路称为逻辑门,组合晶体管来提供二进制逻辑的基本功能:与门(and),如若两个输入都为1,则输出为1;或门(or),如若恣意一个输入为1,则输出为1;非门(not),将1变为0(或反之亦然)。这些逻辑门不错组合成更复杂的电路,而这些电路又不错组合得手能宏大的处理芯片。

戈登·摩尔(Gordon Moore)在1965年的率先不雅察是,跟着芯片制造时间的高出,晶体管变得越来越小,这意味着不错用更低的资本制造更多的晶体管。1974年,IBM工程师罗伯特·丹纳德(Robert Dennard)把稳到,较小的晶体管不仅捏造了单元资本,还提高了性能。跟着源极和漏极之间的距离捏造,开关速率加速,能耗减少。这一不雅察被称为“丹纳德缩放”,它放大了摩尔定律的克己。

1970年,栅极长度(源极和漏极之间距离的一个量度纪律)为10微米(10000纳米)。到2000年代初,这一数值已降至90纳米。在这一水平上,量子效应导致即使晶体管关闭,源极和漏极之间仍会有电流流动。这种泄走电流加多了功耗,并导致芯片发烧。

关于芯片制造商来说,这是早期迹象,标明他们的“免费午餐”期间行将完结。晶体管仍然不错变得更小,但泄走电充军纵了芯片电压的进一步捏造。这反过来意味着芯片功耗无法像夙昔那样捏造。这一“功率墙”象征着丹纳德缩放的完毕——尽管晶体管尺寸削弱了,但芯片速率不再加速,其功耗问题也变得愈加杰出。为了不绝提高性能,瞎想师们启动将逻辑门和其他元件成列在多个连结的处理单元中,称为“中枢”。通过多个中枢,处理器不错同期运行多个利用门径,或者通过将单个利用门径拆分为并行流来加速运行速率。

尽管开关速率不再加多,但这种方法允许性能不绝普及。然则,这并莫得管理每个晶体管功耗不再捏造的问题。跟着晶体管数目不绝加多,芯片瞎想师们不得不关闭芯片的一部分,称为“暗硅”,保宇配资以退缩废热将其溶化。

绕过泄走电流问题意味着要毁掉传统的晶体管结构,其中导电通谈与芯片名义皆平,栅极位于其上方。2011年,英特尔推出了一种新的瞎想,其中通谈像水上的鳍相通杰出,穿过栅极,而不是位于其下方。这种瞎想允许栅极对通谈施加更大的执法力,即使在关闭时亦然如斯。这些“鳍式场效应晶体管”(FinFET)使芯片制造商大约不绝削弱晶体管尺寸。新式晶体管的泄走电流更少,功耗比上一代减少约一半。如今大无数前沿工艺每个晶体管都有两到三个鳍,以提高速率。FinFET将栅极长度进一步削弱到16纳米傍边,但横向成列的鳍数目有限。

为了进一步削弱栅极长度,下一步是将通谈彻底从芯片名义抬离,使栅极从总计见解包围通谈。韩国巨头三星在其最新芯片中初度制造了这么的晶体管,称为“环绕栅极”(GAA)。英特尔和台积电瞻望也会很快跟进。比利时芯片量度机构imec瞻望,GAA时间将股东行业发展到本世纪末,到其时栅极长度将接近现存时间能蚀刻的最小特征尺寸。

在此之后,加多晶体管密度的独一方法是再行瞎想芯片,将一些夙昔横向成列的晶体管垂直堆叠起来。遴选三维瞎想使芯片制造商大约在交流空间内容纳更多的逻辑门。比如,英特尔暗意,通过堆叠晶体管,它不错在时时需要的空间的一半内构建最简便的逻辑门——反相器。

即便遴选堆叠晶体管,追求更高密度的需求也曾存在。一朝晶体管栅极长度接近10纳米,电运动过栅极的硅通谈厚度需要小于4纳米,这使得表示问题愈加杰出。行业的管理决议是用简直莫得厚度的材料代替硅。用仅有几纳米厚——仅几个原子的宽度——的材料制成的电路,不错让芯片制造商在不惦记泄走电流的情况下不绝削弱晶体管尺寸。

变薄的趋势

取代硅的二维(2D)材料候选者中有一种叫过渡金属二硫化物(TMDs)的材料,不错制备出仅三个原子厚的层。在数百种可能替代硅的TMD半导体材料中,有三种最具长进——二硫化钼、二硫化钨和二硒化钨。

但这些二维材料在挑战硅材料之前还有一些贫乏需要克服。来源,这些材料的薄度使它们很难与金属布线连结。其次,在通盘300毫米晶圆(芯片制造的纪律尺寸)上使用这些材料可靠地制造芯片亦然一浩劫题。此外,芯片瞎想依赖于两种不同类型的晶体管。在硅材料中制造恣意一种晶体管都相对容易,而新材料往往更得当其中的一种类型。

另一种可能取代硅材料的候选者是碳纳米管(CNT),它是由碳原子卷成的直径为1.5纳米(简略是水分子直径的六倍)的圆柱形薄片。碳纳米管晶体管的构造与世俗晶体管类似,具有由惯例半导体材料制成的源极、漏极和栅极点子。但其通谈由渺小的、平行成列的纳米管构成,而不是世俗晶体管中的硅通谈。纳米管的光滑结构使电荷不错比硅通谈快三倍地开关。通谈的薄度也使栅极大约更好地执法通谈,减少走电流,从而提高能效。

斯坦福大学的Eric Pop觉得,晶圆厂更倾向于使用二维半导体,而不是碳纳米管,因为它们更容易制造并与硅集成。诚然碳纳米管不错提供更优异的性能,而况相当得当用于GAA晶体管,但由于制造上的挑战,它们更难执法。

纳米管并禁闭易制造。碳纳米管在制造进程中容易出现残障,导致其电性能发生变化。大无数碳纳米管在栅极电压的作用下进展为半导体,但简略三分之一的碳纳米管进展为金属结构,耐久保捏导通,无法通过栅极执法。此外,让一组平行纳米管在源极和漏极之间明晰地平行孕育亦然一浩劫题。

2013年,Max Shulaker(现任麻省理工学院西宾)与斯坦福大学的Subhasish Mitra和Philip Wong配合,构建了第一个使用碳纳米管晶体管的微处理器。这些量度东谈主员瞎想了一种“免残障”处理器,即使部分碳纳米管出现问题,处理器仍然大约往往责任。到2019年,Shulaker瞎想了一个由14,000个碳纳米管晶体管构成的微处理器(约为英特尔1978年发布的8086芯片晶体管数目的一半)。2023年,北京大学的量度东谈主员使用不错削弱到10纳米硅节点大小的制造时间构建了一个碳纳米管晶体管。尽管这些遵守看起来相对基础,但它们展示了碳纳米管动作硅替代材料的后劲。

1959年,物理学家理查德·费曼发表了一次演讲,预示了纳米时间期间的到来。他曾念念象,“如若咱们不错一个一个地按照咱们的意愿成列原子,罢了会是什么样?” 咫尺,跟着半导体器件的特征尺寸达到原子圭表,宇宙给出了谜底:制造更小的晶体管。

https://www.economist.com/technology-quarterly/2024/09/16/the-semiconductor-industry-faces-its-biggest-technical-challenge-yet

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