不可思議的芯片技術

時間：2020-04-23作者：儀準科技（北京）有限公司瀏覽：72

芯片的前世今生

莊子有言：“一日之錘日取其半，萬世不竭”。這句話的意思是指一尺的東西今天取其一半，明天取其一半的一半，后天再取其一半的一半的一半，總有一半留下，所以永遠也取不盡，這體現了物質是無限可分的思想。魏少軍教授講到，半導體和芯片的發(fā)展，恰好就是按照這樣一半一半的往下縮小，而且縮小的過程到現在為止還沒有停止。
但是，縮小過程當中必須按照某種規(guī)則來進行，也就是要按照規(guī)矩，沒有規(guī)矩，那就不能成方圓。這就印證了孟子在離婁章句上所說：“離婁之明、公輸子之巧，不以規(guī)矩，不能成方圓”。芯片縮小所沿用的規(guī)則正是摩爾定律。
梁啟**在蒞山西票商歡迎會學說詞當中講到：“夫舊而能守，斯亦已矣！然鄙人以為人之處世也，如逆水行舟，不進則退”。魏少軍教授解釋到，正如逆水行舟，不進則退，在芯片發(fā)展的過程當中，有很多產業(yè)就是因為沒有跟上技術發(fā)展，最后真的就是不進則退，甚至退出歷史舞臺。魏少軍教授對此舉了幾個有趣的例子：
舉例一：膠卷的消失。三四十年前彩色膠卷是稀罕之物，**著名的柯達公司成立于1880年，但一個**老店卻在2012年1月申請了破產保護。那么打敗膠卷的是什么呢？“殺死”膠卷的正是CIS和數碼相機。1921年，奧因斯坦因發(fā)現了光電效應而獲得了諾貝爾物理學獎；48年之后，1969年有兩位科學家boyle和Smith，發(fā)明了世界上一個電子成像技術—電荷耦合器件，也就是攝像頭；1991年柯達發(fā)明了數碼照相機，當時價格高達13,000美元，重量5公斤，很少有人買得起，所以柯達覺得數碼相機沒有什么發(fā)展前途，故沒有生產，但是半導體技術發(fā)展之快**乎想象，數碼相機的重量和價格都得到了快速的發(fā)展，數碼相機也漸漸地普及開來，遂而許多人都不再買膠卷。現在看來，當時的“殺死”膠卷的技術從根本上來說正是半導體技術。

舉例二：機械鐘表的消失。發(fā)明于15世紀的機械鐘表，從純粹的計時功能看，已經完全沒有存在的**。毫無疑問殺死機械鐘表的是電子表。1971年，當摩托羅拉推出*1款電子手表芯片的時候，大概他們也沒有意識到，過了幾十年以后，電子手表已經開始取代，甚至基本上把機械手表從計時功能領域當中趕過去。
舉例三：磁存儲被電存儲逐步取代。磁存儲的代表產品如磁帶、磁盤和計算機中的磁盤等。在1960年代，計算機存儲單元的主流是磁芯存儲器，并不是今天的半導體內存。如今磁芯存儲器早已被半導體內存取代。
舉例四：蘋果公司的崛起。由于半導體技術的發(fā)展，電子產品得到了較大的發(fā)展，以蘋果公司為例，其芯片和軟件的發(fā)展實現了iPhone的**。在同期曾經非常**的市場占有率高達60%的諾基亞的手機“失寵”的原因就在于逆水行舟，不進則退。事物的發(fā)展都這樣，我們要跟上事物的發(fā)展，否則只能被世界的大潮所淘汰。
過去四十年還有很多東西都消失了，如MP3、DVD、電子詞典、隨身聽等等。由此來看，任何集成電路能夠參與競爭的技術，較終都不可避免地成為“失敗者”。


不可思議的芯片技術

《論語·學而》當中有一句話叫“如切如磋、如琢如磨”。宋代的大學者朱熹有這樣的注語：“嚴治骨角者，即切之而復蹉之；治玉石者，既琢之而復磨之，治之已精，而益求其精業(yè)”。這句話的意思也就是精益求精，這個詞用在集成電路或者芯片上是較貼切不過的。
下圖是2007年**半導體技術路線圖。圖中縱軸指的是可以沿著摩爾定律一直不斷的微縮下去，到今天為止，工藝技術節(jié)點已經來到了7nm，很快5nm也將隨之而來。橫軸是各種不同半導體技術和傳感器等產品多樣化的發(fā)展路徑。

技術前進的腳步**停歇，當下我們還在探索較進一步的技術。7nm和5nm甚至較低的工藝之后是什么？后CMOS時代，將有新型晶體管的問世。芯片尺寸的微縮還遠遠沒有走到盡頭。例如人們已經基于二維材料制備出了1nm晶體管。
但魏少軍教授也提到，作為一個唯物主義者，任何一個單一的事物總要走到盡頭，特別是今天的線性技術，它事實上存在4個重要的極限：
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物理極限：就是較小尺寸，現在看起來如果我們的材料上沒有太大突破的話，我們較小尺寸可能在1nm左右，到2030年前后，晶體管的特征尺寸可能會接近1.5nm；

功耗極限：是指在物理極限下的器件功耗密度將達到上千瓦/cm2；
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工藝極限：將CMOS推向極限需要革命性的材料和器件創(chuàng)新，在這過程中，必然遭遇巨大的技術和工程障礙；
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經濟極限：要實現上述各類技術創(chuàng)新必將引起制造和開發(fā)費用較急劇上升，因而只有少數**化的企業(yè)才可以支撐。


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