一、摩爾定律是一種基于統(tǒng)計(jì)的推測(cè)

過往集成電路的發(fā)展是摩爾定律有效印證。摩爾定律在1965年被第一次提及，其基論點(diǎn)為在維持最低成本的前提下，以18-24個(gè)月為一個(gè)跨度，集成電路的集成度和性能將提升一倍。我們所熟知的10nm、7nm芯片其命名方式是根據(jù)工藝節(jié)點(diǎn)而定的。特征尺寸（critical dimension， CD）是衡量工藝水平的技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）的規(guī)定，工藝節(jié)點(diǎn)通常以晶體管的半節(jié)距（half-pitch）或柵極長(zhǎng)度（gate length）等特征尺寸來(lái)表示。按照摩爾定律的發(fā)展規(guī)律，集成電路芯片的集成度每18-24個(gè)月翻一倍，即工藝節(jié)點(diǎn)以1/√2的系數(shù)逐步縮減，工藝節(jié)點(diǎn)越小，制造工藝越先進(jìn)。從過去數(shù)十年的數(shù)據(jù)來(lái)看，集成電路的制造成本、芯片功耗和芯片性能這三大指標(biāo)都沿著摩爾定律一直向前發(fā)展，因而其有效性一直得以延續(xù)。

摩爾定律形成于統(tǒng)計(jì)結(jié)果，是技術(shù)發(fā)展的一種合理推測(cè)。與其他科學(xué)定律不同，摩爾定律更應(yīng)當(dāng)被理解為經(jīng)濟(jì)學(xué)規(guī)律，是由集成電路產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展所得出來(lái)的結(jié)論。在定律被提出后的一段時(shí)間里，集成電路的發(fā)展動(dòng)力較為強(qiáng)勁，約每18個(gè)月工藝就進(jìn)行一次迭代。隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷縮小，工藝的迭代速度已經(jīng)有所放緩。2015年發(fā)布的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)線路圖（ITRS）顯示，隨著集成電路尺寸不斷減小，技術(shù)瓶頸在制約工藝的發(fā)展，從2015年以來(lái)產(chǎn)品換代速度已下降到24個(gè)月，這個(gè)速度預(yù)計(jì)將保持到2030年。

表1 ITRS2.0報(bào)告部分技術(shù)路線圖

資料來(lái)源：ITRS

二、三大因素制約摩爾定律發(fā)展

物理效應(yīng)、功耗和經(jīng)濟(jì)效益成集成電路工藝發(fā)展瓶頸。集成電路性能、功耗及制造成本是評(píng)判摩爾定律是否有效的重要的標(biāo)準(zhǔn)。目前主流芯片廠商的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入到10nm以內(nèi)，遵循以往的技術(shù)路徑，即按比例不斷縮小器件尺寸已無(wú)法實(shí)現(xiàn)摩爾定律。

從物理角度來(lái)看，集成電路尺寸已進(jìn)入到介觀尺寸范圍內(nèi)，各種物理效應(yīng)都會(huì)成為集成電路發(fā)展的阻力，如雜質(zhì)漲落、量子隧穿等。介觀物理和基于量子化的處理方法是應(yīng)對(duì)這些物理效應(yīng)的有效手段，但目前這些前沿技術(shù)還無(wú)法應(yīng)用到量產(chǎn)中。

時(shí)鐘頻率是評(píng)估芯片性能的重要指標(biāo)，頻率越高，芯片性能越強(qiáng)，但時(shí)鐘頻率提高意味著功耗隨之上升。目前每一工藝節(jié)點(diǎn)的演進(jìn)會(huì)使芯片時(shí)間頻率有20%的提升，而功耗也以一定的幅度在增加。若保持功耗不變，即使將工藝節(jié)點(diǎn)不斷縮小，時(shí)鐘頻率也得不到提升，甚至在某一節(jié)點(diǎn)開始下降。散熱問題是功耗上升后所要面臨的一大難題，直接關(guān)系到芯片的可靠性和壽命，在工藝節(jié)點(diǎn)不斷縮小的情況下，探索功耗和性能的平衡點(diǎn)，保證芯片在合理的工作溫度運(yùn)行，考驗(yàn)著各大廠商。功耗成為另外一個(gè)制約集成電路發(fā)展的因素。

所有工藝和技術(shù)的最終落腳點(diǎn)都是利潤(rùn)。從成本的角度來(lái)看，20nm成為加工成本的一個(gè)分水嶺。在20nm以前的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，加工成本都有一定的下降。但從20nm開始，加工成本下降的趨勢(shì)被打破，開始顯著上升。成本的增加擠壓廠商的利潤(rùn)，在一定程度上限制研發(fā)的投入，研發(fā)速度將有所放緩。

物理效應(yīng)、功耗和經(jīng)濟(jì)效益是現(xiàn)階段制約摩爾定律演進(jìn)的關(guān)鍵因素，當(dāng)前需要重新探索集成電路的發(fā)展規(guī)律和路徑。

三、另辟蹊徑再續(xù)摩爾定律

新理論和新技術(shù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)步入后摩爾時(shí)代。目前業(yè)界認(rèn)為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入到后摩爾時(shí)代。身處后摩爾時(shí)代，廠商必須突破原有的研發(fā)路徑，利用新理論和新技術(shù)來(lái)培育新的增長(zhǎng)動(dòng)力，性能與功耗的比值將成為評(píng)判技術(shù)和產(chǎn)品的重要指標(biāo)。業(yè)界已提出后摩爾時(shí)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展的四種路徑，即延續(xù)摩爾（More Moore）、擴(kuò)展摩爾（More than Moore）、超越摩爾（Beyond Moore）和豐富摩爾（Much Moore）

（一）延續(xù)摩爾（More Moore）

結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝微縮，共同助力延續(xù)摩爾。延續(xù)摩爾基本思路是從經(jīng)典CMOS轉(zhuǎn)向非經(jīng)典CMOS，半節(jié)距按比例減小，采用非經(jīng)典器件結(jié)構(gòu)等，從結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及布局來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的微縮，其本質(zhì)是通過采用新的器件的結(jié)構(gòu)和布局來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片的設(shè)計(jì)和加工。系統(tǒng)芯片（SoC）是高度集成的芯片產(chǎn)品，是延續(xù)摩爾的一個(gè)重要應(yīng)用。這類芯片是從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，是將系統(tǒng)各組件高度集成到一塊芯片上。組件的尺寸決定著相同面積上的芯片可以集成器件數(shù)量，工藝微縮表現(xiàn)為隨著工藝能力的提高，器件尺寸越小。因而，工藝微縮對(duì)于系統(tǒng)芯片影響較為顯著。設(shè)計(jì)端在使用更合理的結(jié)構(gòu)的同時(shí)，更小尺寸的器件將會(huì)加大其可操作的空間。系統(tǒng)芯片與其他類型芯片相比，其集成度更高，速度更快。這優(yōu)勢(shì)源于其從設(shè)計(jì)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)從需求到產(chǎn)品的過程，因而更具有針對(duì)性。系統(tǒng)芯片是延續(xù)摩爾這一發(fā)展方向上較為突出的亮點(diǎn)，也是摩爾定律得以延續(xù)的一大佐證。

外企引領(lǐng)高水平，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品有望追趕。目前市場(chǎng)上利用延續(xù)摩爾思路發(fā)展的產(chǎn)品有CPU、內(nèi)存、邏輯器件等，這些產(chǎn)品占整個(gè)市場(chǎng)份額的50%。從各大廠商所公布的數(shù)據(jù)來(lái)看，臺(tái)積電和三星兩家公司已具備7nm芯片量產(chǎn)的能力，這兩家公司在2018年晶圓代工全球市場(chǎng)份額分別為54.39%和14.40%。而國(guó)內(nèi)龍頭中芯國(guó)際在今年早前宣布實(shí)現(xiàn)14nm工藝量產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)工藝技術(shù)還有待提高，同時(shí)國(guó)外龍頭面臨產(chǎn)業(yè)瓶頸導(dǎo)致研發(fā)周期加長(zhǎng)，也給國(guó)內(nèi)廠商提供了追趕國(guó)際先進(jìn)水平的窗口期。

（二）擴(kuò)展摩爾（More than Moore）

技術(shù)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)決定擴(kuò)展摩爾價(jià)值。與延續(xù)摩爾所采用的方式不同，擴(kuò)展摩爾的本質(zhì)是將不同功能的芯片和元件組裝拼接在一起封裝。其創(chuàng)新點(diǎn)在于封裝技術(shù)，在滿足需求的情況下，可快速和有效的實(shí)現(xiàn)芯片功能，具有設(shè)計(jì)難度低、制造便捷和成本低等優(yōu)勢(shì)。這一發(fā)展方向使得芯片發(fā)展從一味追求功耗下降及性能轉(zhuǎn)向更加務(wù)實(shí)的滿足市場(chǎng)需求。這方面的產(chǎn)品包括了模擬/RF器件、無(wú)源器件、電源管理器件等，占集成電路市場(chǎng)約50%份額。

系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）優(yōu)勢(shì)凸顯。系統(tǒng)級(jí)封裝在擴(kuò)展摩爾的思路上技術(shù)較為成熟且具備量產(chǎn)條件。系統(tǒng)級(jí)封裝可以將一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)集成在一個(gè)封裝內(nèi)，應(yīng)用此技術(shù)可突破PCB自身不足帶來(lái)系統(tǒng)性能的瓶頸，能最大限度實(shí)現(xiàn)各子芯片之間互聯(lián)互通，充分發(fā)揮各芯片和器件的作用。引線鍵合封裝工藝和倒裝焊工藝是實(shí)現(xiàn)封裝兩種可互相替代的關(guān)鍵性工藝，現(xiàn)被各大廠商廣泛應(yīng)用，其對(duì)于系統(tǒng)級(jí)封裝起到至關(guān)重要的作用。

3D封裝成系統(tǒng)級(jí)封裝亮點(diǎn)。3D封裝技術(shù)是把不同功能的芯片或結(jié)構(gòu)，通過堆疊技術(shù)或過孔互連等微機(jī)械加工技術(shù)，使其在Z軸方向上形成立體集成和信號(hào)連通的技術(shù)。從系統(tǒng)級(jí)封裝的傳統(tǒng)意義上來(lái)講，因?yàn)樵赯軸上有了功能和信號(hào)的延伸，所以凡是有芯片堆疊的都可以稱之為3D。3D封裝運(yùn)用到的技術(shù)有封裝堆疊（PoP）、芯片堆疊（SDP）、硅通孔技術(shù)（TSV）及硅基板技術(shù)。其中硅通孔技術(shù)是3D封裝技術(shù)的關(guān)鍵，也是當(dāng)前技術(shù)先進(jìn)性最高的封裝互連技術(shù)之一。3D封裝具有四大優(yōu)勢(shì)：可縮短尺寸、減輕重量達(dá)40-50倍；在能耗不增加的情況下，運(yùn)轉(zhuǎn)的速度更快；寄生性電容和電感得以降低；更有效的利用硅片的有效區(qū)域，與2D相比3D效率超過100%。3D封裝雖然優(yōu)點(diǎn)突出，但其有一個(gè)弱點(diǎn)是各大廠商都需要攻克的難題，即功率密度隨電路密度提升而提升，解決散熱問題是3D封裝技術(shù)的關(guān)鍵。

技術(shù)決定市場(chǎng)份額，臺(tái)積電、英特爾將獨(dú)占鰲頭。SoIC是臺(tái)積電推出的一種創(chuàng)新的多芯片堆疊技術(shù)，是一種晶圓對(duì)晶圓的鍵合技術(shù)，本質(zhì)是一種3DIC制程技術(shù)。SoIC是基于臺(tái)積電的CoWoS（Chip 》）與多晶圓堆疊（WoW）封裝技術(shù)開發(fā)的新一代創(chuàng)新封裝技術(shù)。SoIC解決方案將不同尺寸、制程技術(shù)及材料的裸晶堆疊在一起。相較于傳統(tǒng)使用微凸塊的三維積體電路解決方案，臺(tái)積電的SoIC的凸塊密度與速度高出數(shù)倍，同時(shí)大幅減少功耗。英特爾則推出Foveros有源內(nèi)插器技術(shù)，其3D封裝將內(nèi)插器作為設(shè)計(jì)的一部分，這種設(shè)計(jì)是超越自身EMIB設(shè)計(jì)的一步，適用于小型實(shí)現(xiàn)或具有極高內(nèi)存帶寬要求的實(shí)現(xiàn)。內(nèi)插器包含將電源和數(shù)據(jù)傳送到頂部芯片所需的通硅孔和走線，但它也承載平臺(tái)的PCH或IO。實(shí)際上，它是一個(gè)完全工作的PCH，但是有通孔，允許芯片連接在頂部。通過為每種情況下的工作選擇最佳晶體管，在正確的封裝下組合在一起，從而獲得最佳的優(yōu)化效果。

（三）超越摩爾（Beyond Moore）

自組裝器件是超越摩爾領(lǐng)域取得突破的關(guān)鍵。在集成電路目前的架構(gòu)中，信息的傳遞和處理都是以電子作為基本單元。從信息傳遞的角度來(lái)看，單個(gè)電子是不能傳遞信息的，多電子組合才能攜帶信息。與此同時(shí)，信號(hào)在傳遞過程中還會(huì)存在能量消耗并產(chǎn)生熱量。若尋找到其他基本單元自身可以攜帶信息或者信息傳遞過程中不會(huì)消耗能量，將會(huì)降低功耗并提升性能，打破現(xiàn)在所面臨的發(fā)展瓶頸問題，這類研究則屬于超越摩爾。目前越越摩爾方向主要處在研究階段，量子器件、自旋器件、磁通量器件、碳納米管或納米線器件等能夠?qū)崿F(xiàn)自組裝的器件是超越摩爾方向研究的熱點(diǎn)。

（四）豐富摩爾（Much Moore）

在微納電子學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域高度交叉和融合的背景下，集成電路理論和技術(shù)加速創(chuàng)新突破。在這些理論和技術(shù)的指導(dǎo)下，對(duì)集成電路的理解可能進(jìn)入到另外一個(gè)維度，在制作工藝和產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。這一方面的發(fā)展需要相關(guān)學(xué)科理論的突破才能傳導(dǎo)到集成電路行業(yè)，因而現(xiàn)階段在豐富摩爾發(fā)展方向上還未能取得有效的進(jìn)展。

四、總結(jié)

摩爾定律是基于集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)實(shí)所得出來(lái)的合理推測(cè)。隨著器件尺寸不斷減小，技術(shù)瓶頸開展顯著制約工藝發(fā)展，當(dāng)前產(chǎn)品迭代速度已下降，因此，需要重新探討集成電路產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展方向。目前，業(yè)界已開始沿著延續(xù)摩爾（More Moore）、擴(kuò)展摩爾（More than Moore）、超越摩爾（Beyond Moore）和豐富摩爾（Much Moore）四個(gè)思路開始探索。

從技術(shù)的角度看，超越摩爾和豐富摩爾這兩大方向突破尚需時(shí)日，從研究突破到實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，還有很長(zhǎng)的路要走，并且，這兩大方向目前尚未出現(xiàn)確定趨勢(shì)。然而，以小尺寸SoC為代表的延續(xù)摩爾和以SIP技術(shù)為代表的擴(kuò)展摩爾，在技術(shù)研發(fā)和量產(chǎn)工藝方面則更接近商用量產(chǎn)，將會(huì)是未來(lái)一段時(shí)間集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

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