7月9日,由IBM研究院及合作伙伴GlobalFoundries,、三星电子及纽约州立大学(SUNY)理工学院的纳米科学和工程学院(SUNY Poly CNSE)共同协作,宣布研制出世界上首个晶体管尺寸为7纳米的测试芯片,一时间,整个科技行业乃至全世界都开始激动了。

 

7纳米芯片,宇宙最强大的芯片?

 

那么问题来了,还不到头发直径的万分之一的7纳米,当用这样的工艺制成一颗芯片,它究竟有多强大?

 

IBM的工作人员展示7纳米测试芯片

 

目前,个人电脑、服务器、移动设备等所使用的芯片普遍为22纳米和14纳米,一个芯片上可以容纳数十亿个晶体管;而对于7纳米芯片,IBM表示一个指甲盖大小的芯片上最多可以容纳200多亿个晶体管,性能也将比目前的主流芯片提升50%。

 

为突破芯片制造技术上的瓶颈,IBM研究人员避开常规半导体制造工艺,在业内首次采用了一些新的工艺和技术,其中包括闻名遐迩的锗化硅(SiGe)通道晶体管和极紫外线(EUV)光刻技术。

 

 

7纳米节点这一里程碑成就,继承了IBM硅片和半导体创新的悠久传统。这些创新包括:发明及首次应用DRAM、登纳德标度律(Dennard Scaling Laws)、化学增幅型抗蚀剂、铜互联布线、绝缘硅、张力工程、多核微处理器、浸没式光刻、高速锗化硅(SiGe)、高k栅极电介质、嵌入式DRAM、3D芯片堆栈和气隙绝缘体等。

 

业内预计,IBM的7纳米芯片要达到商业化的应用,虽然还得需要几年时间,但7纳米芯片对于满足未来大数据系统、移动产品等新兴产业的要求至关重要。

 

2020年,7纳米的“摩咒”会到来吗?

 

随后而来的7月17日,英特尔在第2季度财报电话会议上表示将推迟基于10纳米技术的Cannonlake芯片的发布时间,将推迟至2017年下半年,而Cannonlake芯片原定的发布日期是2016年。

 

一时间,人们又激动了,又开始了新一轮关于“摩尔定律是否失效”的讨论。

 

早在2013年,美国国防部先进研究项目局微系统技术办公室主管罗伯特-克罗韦尔(Robert Colwell)曾表示,“我认为是时候为摩尔定律的终结作计划了,不只要思考它何时终结,思考它为什么终结也很有意义。因为,摩尔定律的终结不只对物理界影响巨大,对经济的影响也很大。”

 

克罗韦尔解释说,对于英特尔等企业来说,芯片业务相当昂贵,这些企业要巨额资金开发下一代芯片技术。

 

到底有多贵呢?Globalfoundries最近在纽约北部建设的工厂花了60亿美元;2014年晚期新的研发设施也将完工,将它加进去总计要80亿美元。

 

早在2012年5月17日,英特尔CEO保罗·欧德宁(Paul Otellini)表示,英特尔已开始对7纳米和5纳米制程技术的研究。此外,英特尔目前计划在美国俄勒冈、亚利桑那和爱尔兰的工厂中部署14纳米制程生产线。

 

此前的英特尔制程工艺路线图

 

他认为,建设FAB工厂耗资太大,更重要的是企业要向设计新芯片的团队支付巨资资金。英特尔进行此类投资,动辄数十亿美元,因为它预计接下来几年会收获更多的利润。但是,如果企业对利润翻倍存在怀疑,对必要芯片技术改进存在怀疑,它们就不会想着投资了。如果像英特尔这样的主流芯片企业作出这样的决定,则意味自己终结摩尔定律,因为随后众多不同的企业也会削减投资,它们为芯片生产提供非常贵的工具,从而导致摩尔定律结束。

 

“大多技术会理性考虑到摩尔定律的终结前景。但是它们只关注物理层面的影响,关注从一个芯片制程到另一个制程的变化。这些技术清楚地知道进入7纳米制程的重要意义,它们自然而然假定从物理上看下一代芯片制程技术会碰到不可逾越的问题,从而使得摩尔定律终结。这样考虑是正确的,过去也的确出现了巨大的挑战,但芯片产业曾击退这些挑战;于是,许多人错误地相信产业会再次击退挑战。我的看法是,可能会成功,也可能不会,但物理并非唯一的挑战。我更看重经济挑战,只有在物理和经济上都成功跨越挑战,摩尔定律才能持续,否则就会失效。”

 

当时的美国国防部先进研究项目局认为,2020年、7纳米将是芯片的最后制程节点。克罗韦尔则补充到,预计芯片产业会花大工夫推进5纳米制程,尽管5纳米可能相比7纳米没有多少优势,但会将摩尔定律最初的终结时间推迟到2022年。

 

而英特尔科学家也曾表示,并不确定7纳米之后采用什么技术。

 

而关于“摩咒”最终是否会成真,我们需要思考的问题还有很多。比如,IBM联手合作伙伴推出的7纳米芯片,只不过是实验室阶段的测试芯片,并非正式发布及制造;还比如,7纳米及7纳米一下的工艺芯片,目前仍需采用极其昂贵、且未证实能够在消费层面应用;再比如,极其高深的极紫外线光刻工艺,也不是几百万资金就能开动起来的技术。

 

此外,在7nm制程以下的技术领域,现在仍是一片模糊。IBM半导体技术研究部的副总裁Mukesh Khare表示:“我们还无法确定硅半导体是否还有潜力,能在未来继续带给我们更多的惊喜,即便是想将现在的制造工艺继续推进至5nm 这个里程碑,也已是难上加难了。”

 

值得注意的是,此前英特尔曾透露,将在7纳米工艺阶段放弃硅材料的使用,最有可能替代硅的材料是 III-V 族半导体。而这是否意味着,摩尔定律在那时面临的物理和经济挑战,将是新一轮回的催化剂?

 

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