英特爾聯合創始人戈登·摩爾(Gordon Moore，圖1)在今年與世長辭，而他對半導體晶片電晶體密度持續增長的著名預測依舊聞名於世。詹姆斯·麥肯齊(James McKenzie)深入研究了這一60多年來仍然正確的預測，也就是大家所熟知的「摩爾定律」，但同時也提醒人們，這一定律的延續正日益困難，且成本不斷攀升。
編譯 | 陸葉、唐誠傑（復旦大學）
圖1 於2023年3月去世的戈登·摩爾是英特爾聯合創始人，後擔任英特爾執行長。
當台積電(TSMC)2022年宣布計劃興建一座新的集成電路製造工廠之時，引人注目的不僅僅是高達330億美元的造價，更重要的是這座即將在2025年於新竹啟動的新工廠會被用於製造世界上第一款「2納米」尺度的晶片。新晶片會比現有任何晶片更小、更快，且能效提高30%。台積電的新晶片將幫助包括蘋果公司在內的客戶極大提升從智慧型手機到電腦等電子設備的性能。
不過半導體行業對能夠製造出如此小尺度且性能強勁的晶片已經習以為常，早在1965年戈登·摩爾就提出了被後世稱為「摩爾定律」的著名預測，即在集成電路 (晶片) 上的電晶體數量每年都會翻倍。摩爾在《電子學》雜誌上預測，到1975年，工業界有能力在一個面積為一平方英寸(6.25 cm2)的矽晶片上製造25萬個元器件。
雖然摩爾本人後來自謙地稱這個預測只是一個「野心勃勃的推測」，並且其在1975年將這個預測修改為每2年電晶體數量增加1倍，但這樣一個「推測」確實一直被事實驗證至今。實際上摩爾定律從未被確立為一個科學「定律」，更多的是對半導體行業發展的描述以及推動未來產業發展的路線。
展望未來
基礎物理學告訴我們，隨著電晶體的變小，其運行速度更快，所需功率更低。簡單的經濟學原理也告訴我們，當一個晶片上放置了更多的電晶體時，每個電晶體所需的製造成本也更低。摩爾在他1965年發表的文章中提到「元器件的成本幾乎與元器件數量成反比」。事實證明摩爾是個有遠見的人，他正確地預見了半導體技術的迅猛發展，雖然多年過去，電晶體尺縮技術的具體細節已經有了很大的變化，但摩爾對於集成電路發展的預測已經成為了現實。他成功預見了數字手錶、家用電腦、智慧型手機 (或被他稱為個人移動通訊設備) 的出現，以及用電話線傳遞多種信息、自動駕駛技術的問世。
在一次IEEE Spectrum發起的摩爾定律50周年的採訪中，摩爾表示自己也很驚訝他的預測能夠持續如此之久，「我從沒想過有人能把這個定律記這麼久」。對他來說，摩爾定律的延續是對半導體產業工程師創造力的讚美，他們一次又一次地找到了新的方法來縮小電晶體尺寸，「我覺得只有幾代 (晶片) 的持續，在那之後 (我們) 會碰到一些壁壘，但事實上這些壁壘不斷地被打破。」
但在同一次採訪中，摩爾也指出兩個基本物理極限將最終阻止晶片進一步微型化。他回憶起物理學家史蒂芬·霍金在訪問矽谷時說過的話，「沒有什麼可以超過光速，而材料最終也是由有限大小的原子組成的。」換言之，晶片的速度和尺度都有限制。摩爾提出了一個警示：「這些是我看不到怎樣才能繞過去的基本問題。而在接下去的幾代晶片上，我們就會直面這些問題。」
那麼，摩爾定律的終結真的要來了嗎？
更小、更快、更好
計算機的核心是中央處理單元 (CPU)，它是由電晶體連接在一起並形成能執行基本算術運算的集成電路。世界上第一款單晶片微處理器是英特爾在1971年發布的四位CPU，即Intel 4004。其擁有2300個電晶體，每個電晶體的尺寸為10 µm，售價為60美元。不過摩爾預測，集成電路上的電晶體數目會迅速提升。
在80年代早期，產業界已經開始生產1 µm尺度的電晶體，單個晶片能容納的電晶體數目也達到10萬個，這個數字在90年代初已經達到了100萬，21世紀初則接近了千萬，十年後更是已經過億。最新的利用「5 nm工藝」生產的CPU可以容納超過100億個電晶體，2019年英特爾已經能在一平方毫米的晶片上製造一億以上的電晶體了 (圖2)。(不過現在的工藝名稱並不代表器件的實際尺寸，例如台積電的2 nm晶片並不代表電晶體的實際物理尺寸能到2 nm。)
圖2 晶片上的電晶體數目在英特爾1971年發布第一款CPU晶片4004後快速上升。「摩爾定律」表明這個數目每兩年會翻一倍，但繼續這種趨勢正變得越加困難。
現代集成電路製造是通過採用矽或其他半導體作為襯底，使用各種「光刻」技術逐層構建電路。製造工藝通常都涉及光或化學反應，除了極高的工藝製造水平之外，代工廠的潔凈程度也令人稱奇。
1971年英特爾生產的4004晶片採用「10 µm工藝」，也就意味著晶片上所有電晶體之間的間距不超過10 µm。為了達到這樣的小尺寸，英特爾率先使用了「光學掩模」技術，其本質上是一個大的、透明的玻璃板，部分被鉻覆蓋形成圖形，藍光通過掩模照射在晶片表面上。英特爾巧妙地使用光敏有機光刻膠覆蓋了晶圓，當光線照射到這些有機層的時候就會產生反應，未被曝光的區域則保持原樣，之後可以使用溶劑溶解掉那些被光線照射到的部分，從而把掩模上的原始圖案移到矽上 (圖3)，而完整地製造集成電路所需的器件都需要幾步掩模工藝完成。
圖3 光刻是製造更小電晶體的核心技術。這項技術通過在矽的表面塗覆能與光發生化學反應的光刻膠，結合有圖形的掩膜板，進一步採用光照和顯影來實現矽襯底表面的圖形化。
為了讓集成電路電晶體尺縮延續，人們在掩模和晶圓之間引入了越來越精確的「投影透鏡」。例如，在80年代，「步進式光刻機」的發展讓2 µm晶片成為可能。步進式光刻機統治了90年代的光刻技術，直到250 nm尺度。
集成電路製造中最小尺度最終被兩個因素所限制：首先是光刻膠的最大解析度，其次是能夠投影到晶圓上的圖像最小尺寸。這個最小尺寸也被稱為瑞利判據或衍射極限，由公式0.61λ/NA給出，其中λ是光的波長，NA是投影透鏡的數值孔徑。換句話說，光波長的一半定義了最小的投影尺寸。為了達到更小的尺度，光刻系統在多年的發展中逐漸轉向了比藍光 (波長436 nm) 波長更短的紫外光 (波長365 nm)，以及後來的深紫外光 (波長248 nm)，最新的光刻機則採用了ArF準分子雷射 (193 nm) 作為光源。而數值孔徑的提升，從早期系統的0.16到目前驚人的0.93，也很大程度上幫助了摩爾定律繼續延續。
向2 nm進軍
台積電的工廠是如何實現2 nm工藝呢？即使對於193 nm波長的光來說，這個尺度也遠低於衍射極限。為了更小的尺度，大部分晶片製造廠都轉向了荷蘭ASML公司所開發的使用13.5 nm波長極紫外光的全新EUV光刻機，這種光源已經接近X射線的範圍。這是令人難以置信的工程壯舉，它極大地推動了技術發展，進一步逼近了物理理論極限。在真空中用雷射轟擊錫的熔融滴，產生EUV光，隨後被Zeiss提供的鏡片反射。每台EUV光刻機超過1.5億美元。儘管價格昂貴，但目前為止ASML公司已經售出了140多台這樣的EUV光刻機，作為唯一的供應商，ASML公司的技術能力事實上成為了半導體工業擴張的瓶頸。
根據《麻省理工科技評論》報道，第一代用EUV技術製造的晶片已經在谷歌、亞馬遜等公司被用於翻譯技術、搜尋引擎、圖像識別及人工智慧等科技上。我們的日常消費品中也有EUV技術的身影，蘋果和三星最新款的手機晶片都需要用到ASML的設備來製造。
當然，材料科學與電晶體設計方面的進步也幫助了摩爾定律繼續延續，以「鰭式場效應電晶體」 (FinFET) 為例，它們在矽基底的表面使用隆起的鰭式結構。FinFET是3D堆疊式電晶體的先鋒，一些半導體公司已經做出了176層掩模層的設備，而半導體工業發展路線表明，接下來幾代器件可能採用超過600層掩模層的設備去製造。最新的2 nm工藝甚至使用了更高端的電晶體技術，也就是所謂的全環繞柵極技術 (GAA)，IBM公司已經採用這種電晶體技術製備了密度高達每平方毫米3.3億個電晶體的晶片，而IBM聲稱這種技術能在指甲蓋大小的晶片上容納超過500億個電晶體。這項技術將大大延長智慧型手機電池的壽命，減少數據中心的成本，且讓筆記本電腦運行更快。
突破物理限制
事實上業界正在嘗試一切可能的手段去延續摩爾定律。ASML正在著力發展1 nm光刻技術，這是值得期待的，畢竟2 nm工藝所生產的晶片相比3 nm工藝的晶片，性能將提高15%，同時能耗減少25%。
摩爾定律當然尚未終結。雖然在2 nm的尺度物理上只有10個矽原子了，但是實際器件尺寸並不是2 nm，兩個柵極之間的距離可能達到50 nm，所以我們還有繼續尺縮的空間。
但另一方面，我們已經很難預見以後延續摩爾定律的關鍵創新是什麼。2016年，來自德國、日本和美國的研究人員製造了一個由酞菁分子 (phthalocyanine) 和僅12個銦原子組成的電晶體，其柵極尺寸為0.167 nm，這可能是「摩爾定律的絕對硬極限」。為了不同的應用設計不同類型的晶片也是一種可行的方法，例如利用圖形處理單元(GPU)而不是CPU計算的AI技術，GPU能夠並行計算的特性提升了計算效率。
最後，將摩爾定律延續到多遠可能是一個純粹的經濟問題。就像相比於5 nm工廠150—200億美元的造價，台積電的最新工廠成本高達330億美元，延續摩爾定律是一項風險極高的遊戲。在這種情形之下，只有少數的幾個玩家有開發下一代晶片技術的資本。他們沒有放棄摩爾定律，但前面的道路將困難重重。
戈登·摩爾：個人經歷
1978年英特爾創立10周年，戈登·摩爾(右)和英特爾聯合創始人羅伯特·諾伊斯（中）、一號員工安迪·格魯夫合影。
戈登·厄爾·摩爾於1929年1月3日出生在美國加州的佩斯卡德羅，1950年在加州大學伯克利分校獲得化學學士學位，之後在加州理工大學獲得了化學博士學位，並在1953—1956年期間在霍普金斯大學應用物理實驗室從事博士後研究，隨後他離開了學術界並加入了由物理學家威廉·肖克利建立的肖克利半導體實驗室(SSL)。
然而，肖克利不是一位容易相處的老闆，他的管理風格頗為專制，很快摩爾和其他七位同事(後來被稱為「八叛徒」)一起在1957年辭職，並創辦了仙童半導體。也就是在1965年擔任仙童半導體研究總監期間，摩爾提出了他著名的「摩爾定律」。1968年，摩爾和鮑勃·諾伊斯離開了仙童並創建了著名的英特爾。摩爾在英特爾期間擔任過多個高級職位，包括主席與執行長(CEO)。摩爾還是一位慷慨的慈善家，於2000年設立了戈登/貝蒂·摩爾基金會，並捐贈了50億美元用於支持教育與環境項目。摩爾獲得過很多榮譽，包括2002年喬治·布希總統授予的總統自由勳章(美國最高平民獎項)。
本文經授權轉載自微信公眾號「中國物理學會期刊網」，編譯自 James McKenzie. Physics World，2023，(8)：30，選自《物理》2023年第9期。
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