英特爾宣布其研究人員預(yù)見到一種通過改進封裝和厚度僅為三個原子的材料層使芯片密度提高 10 倍的方法。這可能為到 2030 年在芯片封裝上放置一萬億個晶體管鋪平道路。

英特爾展示了可以使摩爾定律走上正軌的進步。（圖片來源：英特爾）

摩爾定律應(yīng)該已經(jīng)死了。芯片不應(yīng)該變得更好，至少不會通過傳統(tǒng)的制造進步。在晶體管發(fā)明 75 周年之際，這是一個令人沮喪的想法。早在 1965 年，英特爾名譽董事長戈登摩爾就預(yù)測，芯片上的元件或晶體管數(shù)量每隔幾年就會翻一番。

該法律持續(xù)了幾十年。芯片變得更快、更高效。芯片制造商縮小了芯片的尺寸，結(jié)果是好的。微型芯片中的電子行進距離更短。所以芯片變得更快了。更短的距離意味著芯片使用的材料更少，從而使其更便宜。因此，摩爾定律的穩(wěn)步推進意味著芯片可以同時變得更快、更便宜，甚至更省電。

但摩爾定律確實依賴于杰出的人類工程師提出更好的芯片設(shè)計和持續(xù)的制造小型化。近年來，取得這些進展變得越來越困難。芯片設(shè)計符合物理定律。有了幾個原子厚的原子層，就不可能再收縮了。因此，英偉達首席執(zhí)行官黃仁勛最近表示，“摩爾定律已死?！?/p>

英特爾展示了它如何制造具有復(fù)雜互連封裝的芯片。

這不是個好時機，因為我們正要開始構(gòu)建元宇宙。摩爾定律對于滿足世界永無止境的計算需求至關(guān)重要，因為激增的數(shù)據(jù)消費和對人工智能 (AI) 增長的推動帶來了有史以來最大的需求加速。

在 Nvidia 首席執(zhí)行官發(fā)表上述言論一周后，英特爾首席執(zhí)行官帕特·基辛格 (Pat Gelsinger) 表示，摩爾定律仍然有效。這并不奇怪，因為他已經(jīng)在美國的新芯片制造廠投資了數(shù)百億美元。不過，他的研究人員在國際電子設(shè)備會議上支持他。英特爾明確表示，這些進步可能需要五到十年的時間。

在研究活動的論文中，英特爾描述了在未來十年內(nèi)將摩爾定律保持在封裝上一萬億個晶體管的軌道上的突破。英特爾元器件研究總監(jiān)兼高級首席工程師 Paul Fischer 在新聞發(fā)布會上表示，在 IEDM 上，英特爾研究人員展示了 3D 封裝技術(shù)的進步，密度提高了 10 倍。

“我們的使命是讓我們的工藝技術(shù)選擇更加豐富和完整，”他說。

這些包最近以創(chuàng)新的方式使用；英特爾的競爭對手 Advanced Micro Devices 宣布其最新的圖形芯片有一個處理器芯片和六個內(nèi)存芯片——所有這些芯片都連接在一個封裝中。英特爾表示，它與政府實體、大學(xué)、行業(yè)研究人員和芯片設(shè)備公司合作。英特爾在 IEDM 活動等場所分享研究成果。

英特爾還推出了超越 RibbonFET 的新型二維晶體管材料，包括只有三個原子厚的超薄材料。它還描述了用于更高性能計算的能源效率和內(nèi)存的新可能性；和量子計算的進步。

“自晶體管發(fā)明 75 年以來，推動摩爾定律的創(chuàng)新繼續(xù)滿足世界對計算的呈指數(shù)增長的需求，”英特爾組件研究和設(shè)計支持副總裁 Gary Patton 在一份聲明中說。“在 IEDM 2022 上，英特爾展示了突破當(dāng)前和未來障礙所需的前瞻性和具體研究進展，滿足這種永無止境的需求，并在未來幾年保持摩爾定律的活力?！?/p>

晶體管迎來75周年生日

芯片電路之間的層厚度可以低至三個原子。

為紀(jì)念晶體管問世 75 周年，英特爾執(zhí)行副總裁兼技術(shù)開發(fā)總經(jīng)理 Ann Kelleher 將主持 IEDM 的全體會議。Kelleher 將概述持續(xù)行業(yè)創(chuàng)新的前進道路——圍繞基于系統(tǒng)的戰(zhàn)略凝聚生態(tài)系統(tǒng)，以滿足世界對計算日益增長的需求，并更有效地創(chuàng)新以摩爾定律的步伐前進。

會議主題為“慶祝晶體管問世 75 周年！看看摩爾定律創(chuàng)新的演變，”于太平洋標(biāo)準(zhǔn)時間 12 月 5 日上午 9:45 舉行。

為了取得所需的進步，英特爾采取了多管齊下的方法，即“在英特爾內(nèi)部的影響力越來越大，影響力越來越大”，以跨越多個學(xué)科。

Fischer 說，英特爾必須在芯片材料、芯片制造設(shè)備、設(shè)計和封裝方面取得進展。

他說：“3D 封裝技術(shù)正在實現(xiàn)小芯片的無縫集成，”或封裝中的多個芯片?！拔覀冋谀：杞Y(jié)束和封裝開始之間的界限。”

持續(xù)創(chuàng)新是摩爾定律的基石。在過去二十年中，個人電腦、圖形處理器和數(shù)據(jù)中心的許多關(guān)鍵創(chuàng)新里程碑（包括應(yīng)變硅、Hi-K 金屬柵極和 FinFET）的持續(xù)功率、性能和成本改進都始于英特爾的組件研究小組。

進一步的研究，包括 RibbonFET 環(huán)柵 (GAA) 晶體管、PowerVia 背面功率傳輸技術(shù)以及 EMIB 和 Foveros Direct 等封裝突破，都在今天的路線圖上。

在 IEDM 2022 上，英特爾的組件研究小組表示正在開發(fā)新的 3D 混合鍵合封裝技術(shù)，以實現(xiàn)小芯片的無縫集成；超薄二維材料，可將更多晶體管裝入單個芯片；以及用于更高性能計算的能源效率和內(nèi)存的新可能性。

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英特爾將如何做？

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英特爾預(yù)見到對計算能力的巨大需求。

研究人員已經(jīng)確定了模糊封裝和硅之間界限的新材料和新工藝。英特爾表示，它預(yù)計將從今天的芯片上數(shù)百億個晶體管發(fā)展到一個封裝上的萬億晶體管，其中可以包含很多芯片。

取得進步的一種方法是通過封裝實現(xiàn)額外 10 倍的互連密度，從而形成準(zhǔn)單片芯片。英特爾的材料創(chuàng)新還確定了實用的設(shè)計選擇，這些選擇可以使用僅三個原子厚的新型材料滿足晶體管縮放的要求，從而使公司能夠繼續(xù)擴展到 RibbonFET 之外。

英特爾在 IEDM 2022 上展示的最新混合鍵合研究表明，與英特爾在 IEDM 2021 上的研究展示相比，功率和性能密度又提高了 10 倍。

持續(xù)的混合鍵合縮放到三納米間距可實現(xiàn)與單片系統(tǒng)級芯片連接相似的互連密度和帶寬。一納米是十億分之一米。

英特爾表示，它正在尋找超薄“2D”材料，以便將更多晶體管安裝到單個芯片上。英特爾展示了一種環(huán)柵堆疊納米片結(jié)構(gòu)，它使用只有三個原子厚的薄二維通道，同時在室溫下以低漏電流實現(xiàn)了雙柵結(jié)構(gòu)上晶體管近乎理想的開關(guān)。

這是堆疊 GAA 晶體管和超越硅的基本限制所需的兩個關(guān)鍵突破。

研究人員還揭示了對二維材料的電接觸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的首次綜合分析，這可以進一步為高性能和可擴展的晶體管通道鋪平道路。

為了更有效地利用芯片面積，英特爾通過開發(fā)可垂直放置在晶體管上方的內(nèi)存來重新定義縮放比例。英特爾率先展示了堆疊式鐵電電容器，其性能與傳統(tǒng)鐵電溝槽電容器的性能相匹配，可用于在邏輯芯片上構(gòu)建 FeRAM。

業(yè)界首創(chuàng)的器件級模型可捕獲改進的鐵電氧化鉿器件的混合相和缺陷，標(biāo)志著英特爾在支持行業(yè)工具開發(fā)新型存儲器和鐵電晶體管方面取得了重大進展。

英特爾通過多種方法找到了通往萬億晶體管芯片的道路。

英特爾正在為 300 毫米硅基 GaN 晶圓打造一條可行的道路，讓世界離超越 5G 更近一步并解決能效挑戰(zhàn)。英特爾在這一領(lǐng)域的突破表明，增益是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) GaN 的 20 倍，并創(chuàng)下了高性能功率傳輸?shù)男袠I(yè)記錄。

英特爾正在超級節(jié)能技術(shù)方面取得突破，特別是不會忘記的晶體管，即使在電源關(guān)閉時也能保留數(shù)據(jù)。英特爾研究人員已經(jīng)打破了阻礙該技術(shù)在室溫下完全可行和運行的三個障礙中的兩個。

英特爾繼續(xù)在物理學(xué)中引入新概念，并在為量子計算提供更好的量子比特方面取得突破。英特爾研究人員致力于通過更好地了解各種可能作為影響量子數(shù)據(jù)的環(huán)境干擾的界面缺陷來尋找更好的方法來存儲量子信息。

編輯：黃飛