摩尔定律没死，02nm不是芯片极限，往后还有好多代呢

当芯片进入5nm时，很多人就怀疑这个纳米工艺，是不是快到尽头了？

因为硅原子是有大小的，纳米工艺不可能比硅原子还小吧，所以纳米工艺一定有物理极限，很多人都觉得，这个极限可能在1nm。

但事实上，真的如此么？不是的，就算按照每一代比上一代缩小30%的话。

3nm后是2nm，再是1.4nm，再是1nm，0.7nm，0.5nm……

要知道硅原子的直径大约是0.22nm，所以就算按极限来讲，比一个硅原子大就行了，那么在0.5nm，之后，还有0.3nm……

事实上，按照ASML光刻机的规划路径，在2037年的时候，就会实现0.2nm的工工艺，在2039年之后，要实现比0.2nm更小的芯片工艺。

如下图大家就看到，未来15年，ASML都认为工艺会一直进步，不存在极限。

估计很多人又有疑问了，这么小的工艺，甚至比一颗原子还小，这芯片是怎么刻出来的？不应该啊。

事实上，这里就牵涉到另外一个问题了，那就是当前的纳米工艺，代表的并不是某一项特定的指标，比如晶体管大小，栅极宽度，金属半间距等等。

大家一定要有一个认知，那就是XX纳米，代表的也不是晶体管就是XX纳米之类的……

事实上，在ASML看来，XX纳米并不重要，重要的是金属半间距，也就是晶体管之间的导线距离，太短了会被电流击穿的，因为晶体管之间是要通电的，通过断、通电来进行计算。

这个才是光刻机最为关注的指标，只要这个距离是可以刻录的，那么就行了。

这个金属半间距，实际上和XX纳米对比，是天差地别的。大家继续看上图，能够看到A10工艺，也就是1nm时，这个间距是18nn。

ASML认为，哪怕芯片达到0.2nm时，这个间距还有16-12nm，所以0.2nm的芯片是一定会有的，后续0.2nm之后，还会有N代。

可以说，摩尔定律一定会继续，不会停止不前进了，按照这种逻辑，芯片工艺几十年内都不会达到极限，会一直进步。

之前有很多人表示，目前的芯片工艺达到极限了，那么台积电、三星们就会在前面等着我们，我们虽然在后面，但只要台积电、三星停下来了，我们就有机会追得上。

其实还真不是这样的，因为这堵墙，并不存在，台积电们还在往前走。

更重要的，就算真的达到极限了，对方可能会换个方向，研究其它材料去了，基于之前的技术、能力、资金等优势，对方一样可能起步更快，速度更快。

所以对于我们而言，不是期待对方遇到墙了，跨不过去了，不得不停下来等等我们，而是想方设法跑快一点，这样才能尽快的、真正的追上去，你觉得呢？

5nm就到极限了吗？谈芯片工艺发展路向

1芯片工作原理简介回顶部

【PConline 杂谈】 在上周举行的ISSCC（国际固态电路会议）上，Intel公布了其最新的半导体工艺进展，除了下一代10nm已经处于研发阶段中，也谈到了更加往后的半导体工艺计划。Intel表示摩尔定律即使到达7nm这个节点，仍然会继续有效，但是为了追上摩尔定律的脚步，7nm之后Intel很可能将会放弃传统的硅芯片工艺，而引入新的材料作为替代品。现在看来，10nm有可能将会成为硅芯片工艺的最后一站。事实上，随着硅芯片极限的逐渐逼近，这几年人们也越来越担心摩尔定律是否会最终失效，因为一旦半导体行业停滞不前，对于IT业界来说同样会产生极大的影响。本文就跟大家来谈一下目前半导体工艺的进展情况，以及一旦硅芯片工艺走到尽头，又有什么新的技术方向能够维系半导体工艺的持续发展。

5nm就到极限了吗？谈芯片工艺发展路向

让我们先来大致了解一下芯片是如何工作的。

Source：源极 Gate：栅极 Drain：漏极

一个芯片上整合了数以百万计的晶体管，而晶体管实际上就是一个开关，晶体管能通过影响相互的状态来处理信息。晶体管的栅极控制着电流能否由源极流向漏极。电子流过晶体管在逻辑上为“1”，不流过晶体管为“0”，“1”、“0”分别代表开、关两种状态。在目前的芯片中，连接晶体管源极和漏极的是硅元素。硅之所以被称作半导体，是因为它可以是导体，也可以是绝缘体。晶体管栅极上的电压控制着电流能否通过晶体管。

现有半导体工艺还能走多远？

而为了跟上摩尔定律的节奏，工程师必须不断缩小晶体管的尺寸。但是随着晶体管尺寸的缩小，源极和栅极间的沟道也在不断缩短，当沟道缩短到一定程度的时候，量子隧穿效应就会变得极为容易，换言之，就算是没有加电压，源极和漏极都可以认为是互通的，那么晶体管就失去了本身开关的作用，因此也没法实现逻辑电路。从现在来看，10nm工艺是能够实现的，7nm也有了一定的技术支撑，而5nm则是现有半导体工艺的物理极限。

硅芯片工艺自问世以来，一直遵循摩尔定律迅速发展。但摩尔定律毕竟不是真正的物理定律，而更多是对现象的一种推测或解释，我们也不可能期望半导体工艺可以永远跟随着摩尔定律所说发展下去。但是为了尽可能地延续摩尔定律，科研人员也在想尽办法，比如寻求硅的替代材料，以继续提高芯片的集成度和性能。接下来我们来谈一下几种未来有可能取代硅，成为新的半导体材料方案。

2硅工艺技术替代方案回顶部

III-V族化合物半导体

III-V族化合物成为FinFET上的鳍片

前文提到Intel可能将会在7nm节点放弃传统的硅芯片工艺，并在未来的几年中启用全新的半导体材料来作为继任者，目前看来，这种新材料很可能会是III-V族化合物半导体。该半导体材料是以III-V化合物取代FinFET上的硅鳍片，与硅相比，由于III-V化合物半导体拥有更大的带隙和更高的电子迁移率，因此新材料可以承受更高的工作温度和运行在更高的频率下。Intel在很早之前已经尝试III-V族化合物（磷化铟和砷化铟镓）与传统晶圆整合的化合物半导体。而在一年多前，IMEC（微电子研究中心，成员包括Intel、IBM、台积电、三星等半导体业界巨头）已经宣布成功在300mm 22nm晶圆上整合磷化铟和砷化铟镓，开发出FinFET化合物半导体。

比起其他替代材料，III-V族化合物半导体没有明显的物理缺陷，而且跟目前的硅芯片工艺相似，很多现有的技术都可以应用到新材料上，因此也被视为在10nm之后继续取代硅的理想材料。目前需要解决的最大问题，恐怕就是如何提高晶圆产量并降低工艺成本了。

石墨烯

电镜下的石墨烯，呈六边形结构

石墨烯被视为是一种梦幻材料，它具有很强的导电性、可弯折、强度高，这些特性可以被应用于各个领域中，甚至具有改变未来世界的潜力，也有不少人把它当成是取代硅，成为未来的半导体材料。但是真正把它应用于半导体领域，还需要克服不少的困难。

首先，通过前面我们可以知道，逻辑电路有“0”和“1”，也就是开和关两种状态，而这就需要有“能隙”——电子携带电流之前必须跃过的能量跨栏。但是因为石墨烯本身的导电性能太好，它没有能隙，也就是只能开，而不能关，这样是不能实现逻辑电路的。如果要利用石墨烯来制造半导体器件，那么我们还需要通过其他手段，在不破坏石墨烯本身特有的属性下，在石墨烯上面植入一个能隙。目前已经有不少针对这方面的研究，但要真正解决这个问题还需要相当长的时间。

而另外一个主要问题就是，要大批量和高质量地获得石墨烯，仍然是一件非常困难的事。目前增加石墨烯产量的手段其实并不少，但石墨烯边缘的六元环并不稳定，容易形成五元环或七元环，通过这些手段获取的石墨烯，往往会是多个畸形环所连成的多晶，从而影响本身的特性，这样生产出来的石墨烯就丧失了作为材料的意义了。

硅烯

具有相似结构的硅烯，可能是比石墨烯更好的方案

我们知道硅和碳具有相似的化学性质，研究人推测硅原子也可以像石墨烯那样，原子呈蜂窝状排列，形成硅烯这种物质。而硅烯相比于石墨烯的重要不同，就是硅烯拥有上述所说，可以实现逻辑电路所必要的能隙。

不过这种结构的硅单质，也只是在2010年才正式观察到，而事实上，在空气中，硅烯具有极强的不稳定性，即使在实验室中，硅烯的保存时间也很短。如果要制作硅烯晶体管，还需要尝试通过添加保护涂层等手段，保证硅烯不会变性，才可能应用于实际当中。虽然硅烯的应用面临着重重困难，但它仍然有希望赶超老大哥石墨烯，成为理想的半导体材料。

结语：

即使硅工艺快将走到尽头，未来仍可能有多种替代方案来接替硅的位置，并使摩尔定律继续延续下去。事实上，硅的替代材料还有多种，如IBM致力研究的碳纳米管等，此外也可以另辟蹊径，在使用现有工艺的情况下来提高单位面积下晶体管的集成数量（比如2.5D、3D堆叠等方案，目前在NAND、DRAM等存储产品中已有不少应用，不过对于IC芯片来说，发热问题不好解决），在未来甚至还可能有光子计算、量子计算等颠覆摩尔定律的超级计算机出现，有机会我们可以再继续展开讨论。但就目前而言，哪种技术能够最终成为计算的未来，谁也无法知晓。

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