7纳米芯片能拯救“摩尔定律”吗?

就在芯片的生产工艺越来越难以进一步提高的时候，IBM的一项最新研究让人们看到了“摩尔定律”似乎依然有效―注意，这句话的主语并不是定义了这一定律的芯片巨头英特尔。

今年7月，英特尔就表示，对于最新的10纳米芯片的量产时间，将由预订的2016年下半年，延迟到2017年下半年。此前升级14纳米芯片的生产工艺时，英特尔就推迟了6个月。

多年以来，英特尔基本以每两年一次的频率改进芯片的生产工艺，与其联合创始人戈登・摩尔（Gordon Moore）50年前提出的“摩尔定律”保持一致。然而近年，因为财力的限制，以及芯片工艺越来越接近半导体的物理极限，追赶“摩尔定律”愈加困难。

但与英特尔的推迟计划几乎同时，IBM实验室却宣布已经生产出了全球第一个7纳米原型芯片。

IBM去年8月就曾过一款True North芯片，在邮票大小的芯片上可以放下54亿个晶体管。而这次的7纳米芯片仅有指甲盖大小，却能放下超过200亿个晶体管。目前主流的14纳米芯片能容纳的晶体管数量不到100亿。

如果7纳米芯片最终实现量产，这就意味着，装有这种未来芯片的各类消费电子产品将拥有更小的体积，还可以速度更快、内存更大、耗电更少―想想物联网和虚拟现实等火热的概念，就会知道这种芯片的需求将有多大。

所谓7纳米芯片，即芯片电路上最窄线条的宽度仅有7纳米，这个数字相当于发丝直径的万分之一。

一般认为，硅尺寸的理论极限就在10纳米的边缘，所以IBM这次的突破，主要归功于它使用了锗化硅这种材料。

在元素周期表中，锗和硅位置相邻，属于同一族元素，各方面性质相近。不过锗的电子迁移率要高于硅，是后者的2至3倍。所以利用锗可以制造出体积更小、速度更快的集成电路。

其实，摩托罗拉曾经尝试过用锗做芯片。1995年，摩托罗拉推出了内置锗晶体管的车载收音机，然而产品投入市场后没多久，摩托罗拉却收到了大量的客户投诉。他们表示，汽车经过烈日暴晒后，车载收音机就不能用了。研究人员后来发现，在高温炙烤后，锗的性质会发生一些变化，导致其不能正常工作。所以摩托罗拉最终还是选择了性质更加稳定的硅。

另外，硅的来源非常广泛，在地壳元素中占比27%，从沙子中就能提取出纯度较高的硅。而锗的总量非常少，仅占地壳元素的百万分之七，并且分布分散，几乎没有较集中的锗矿，这使其工业化开发难度非常大。

IBM的锗化硅技术就是利用了锗迁移率优势的同时，又想办法避免了其他方面的不足。而除了材料，它在芯片的制作过程中也采用了不同于其他芯片生产商的加工工艺。

包括英特尔、台积电在内的几大芯片商，目前生产芯片的主流技术是沉浸式光刻技术，一种通过水或者其他液体使光发生弯曲，进而达到提高刻画精度的工艺。而IBM此次使用的则是极紫外光刻技术（EUV）。

由于芯片上的结构极其微小复杂，一般工艺很难在面积很小的硅晶圆片上做出大规模的电路，只能使用光。制作芯片的第一步像是在硅晶片上雕刻，硅晶圆片是底板，光是刻刀。除了底板和刻刀，还要有提前画好电路***纸的模板。这样，光透过模板就可以在硅晶圆片上“刻”画出电路。

光的波长越短，芯片可以达到的精度和集成度越高，体积则相应变小。但波长越短，对刻画工艺也提出了更高的要求，因此刻画工艺决定了芯片能达到的最小尺寸。

把硅晶圆片浸入到液体中能够缩小波长，液体的折射率就是波长缩短的数字―英特尔的22纳米芯片，就是通过传统光刻技术配合这种沉浸式光刻技术的方式研制出来的。

而EUV技术是一种更复杂的技术，它是一种以波长为10至14纳米的极紫外光作为光源的光刻工艺，可以实现更高的芯片精度。不过，2010年英特尔曾经表示，准备把沉浸式光刻技术沿用至11纳米制程节点，这也说明，它将延后启动EUV技术―毕竟，找到一种折射率更高的液体，比研制出新的光刻技术要简单得多。

事实上，在沉浸式广科技术方面，整个芯片行业现在也都面临着一个巨大的挑战。厂商们发现，折射率在1.65以上的液体对光刻设备有着过高的要求。“我们面临的局面是，或者停止缩小尺寸，或者继续推动EUV技术。”比利时硅光子技术公司IMEC的技术总监Kurt Ronse说。

EUV技术被很多科学家看做是保证“摩尔定律”继续有效的必经之路，但是它在实验室出现了十多年至今还无法突破所有瓶颈。

波长在10至14纳米的光几乎可以被任何物质甚至是空气吸收，所以刻写硅晶圆片的过程要在真空的环境中进行。

在传统的光刻工艺中，光要穿过刻画着电路***纸的掩膜。然而一旦穿过掩膜，绝大部分光都会被吸收。在这种情况下，EUV掩膜必须采用反射技术。反射镜面是涂有多层钼和硅的凹面和凸面镜，特殊的涂层可以保证70%的极紫外光被反射，如果没有涂层，极紫外光也会在发射的过程中被完全吸收。

此外，通过一次次极为精准的反射，被调整了路径的光线在到达硅晶圆片的时候才能够投射出电路的***案。这还要求镜面绝对平滑，允许误差仅为一个原子大小，***层中任何小的缺陷都会影响最终的电路***案，从而导致芯片功能出现问题。

正因为这些难以完美解决的问题，EUV技术的研究耗资巨大。IBM此前曾投资了30亿美元用于推进计算机技术的进步。而需要注意的是，这次，它仅仅研制出的是7纳米的原型芯片，并且还无法给出该芯片量产化的时间表。

当然，即使如此，也足够令技术界兴奋。不过他们需要意识到的是，EUV技术并不是能让“摩尔定律”保持有效的稳定保障。毕竟，当技术的某一关键环节已经接近物理极限的时候，现有的技术恐怕难以支持持续突破了。