在晶体管发明75周年、摩尔定律逼近极限之际，英特尔在最近的IEDM会议上带来了到2030年实现万亿晶体管芯片的途径。这对整个半导体产业来说，是一个无比振奋的消息。英特尔也给摩尔定律冠上了“不死”的希望。
英特尔研究院副总裁、英特尔中国研究院院长宋继强博士对此表示：“与目前可以在单个设备中放入1千亿个晶体管相比，从2023年到2030年，8年时间里翻10倍，即实现2的3次方的提升，是一个比较激进的目标。要达到这个目标，一方面要继续依靠晶体管微缩，例如用超薄的2D材料做更高效的GAA的晶体管，另一方面，3D封装技术，尤其是在wafer厂里通过最新的准单片芯片方式做3D封装，是另一个重要的技术抓手，能够进一步提升整个设备中的晶体管总量。”
为了延续摩尔定律，英特尔将进行三大重点领域的研究：
一、新的3D封装技术实现“芯粒”的无缝集成
“摩尔定律的继续演进，首先需要依赖先进制程，先进制程是基础，是重中之重。如果说没有好的晶体管，没有好的die，后面仅仅靠封装达不到最好的效果。先进制程和先进封装两方面一定要齐头并进地推进，一方面要通过更好的晶体管设计，让一个die既小又低功耗，还可以容纳更多的晶体管，即使这些需求是有矛盾的。另一方面还可以把不同工艺节点上不同厂家的芯片能够封装在一起，这是进一步提高系统集成度的方法。”宋继强博士指出。
在先进封装技术方面，英特尔希望通过下一代封装技术实现准单片芯片。什么是准单片芯片？这是英特尔提出的一个新名词，其英文名称是quasi-monolithic chip。
据宋继强博士的解释，现在新材料和工艺模糊了封装和芯片制造之间的界限，晶圆厂越来越多的开始做封装厂的工作。譬如3D封装技术大多数是由晶圆厂来主导，一方面，晶圆厂把多芯片互连的工艺里要把材料由原来的很多封装工厂当中的有机材料换成无机材料，主要是氧化物这样的绝缘层材料。让它们满足封装级别的要求。
图1：通过多种技术提升芯片的互联密度
（图源：英特尔）
此外，晶圆厂还推进了芯片互连的工作，很重要的互连技术如hybrid bonding混合键合技术可以把互连间距继续微缩。与2021年公布的成果相比，英特尔通过混合键合技术将互连间距继续微缩到3微米，密度又提升了10倍。
所以最终由晶圆厂利用3D封装技术做好的芯片组合，看起来还是像一个单片，所以叫准单片。然后，封装厂再在准单片的基础上做后续的封装，所以就叫准单片芯片的封装技术。
二、通过超薄2D材料在单个芯片上集成更多晶体管
我们都知道，在芯片走向3nm工艺的节点，晶体管的工艺制造结构由FinFET逐渐来到GAA，英特尔主要采用RibbonFET的结构实现GAA，在这一过程中，英特尔发现，源极（S）和漏极（D）之间的间距在进一步缩小，这会带来比较明显的短沟道的效应，即很容易发生漏电。传统的硅材料遇到了很多瓶颈，探索新的材料势在必行。
目前整个学术界都在探讨使用TMD（过渡金属硫化物）材料。TMD是一种二维材料，其厚度仅三个原子厚，不仅薄，而且流动性好，因此很适合用于源极和漏极的通道。
图2：通过2D材料，超越硅的微缩限制，延续摩尔定律
（图源：英特尔）
图3的中间的图片是英特尔RibbonFET的结构设计，它包括几条Ribbon扁片，通过一个大的灰色栅极来控制。如果其中的扁片可以做的更薄，那么就可以放置更多的扁片来形成晶体管的门。所以采用2D材料正好可以满足这一需求。
但是因为扁片更扁，并且栅极的尺寸缩小之后，源极、漏极的通道的接触面也随之变得更小。而接触面的面积大小与对通道的控制能力密切相关，所以英特尔又做了一个完整的对于2D新材料的接触面积，以及不同的接触模式的拓扑结构的分析。拓扑结构包括从顶层接触和从边缘接触两种，还有一种是既从顶层又从边缘接触，称为混合接触。下图的原子模拟展示了为2D晶体管实现高性能触点的路径，主要是采用的MoS2这样的过渡金属氧化物。
图3：改善2D通道材料的触点设计
（图源：英特尔）
三、探索能效和存储的新可能，以实现更高性能的计算
芯片发展到现在，处理器和存储器之间的鸿沟越来越大，为了突破或缓解“存储墙”、“功耗墙”和“功能墙”的制约，让硅晶圆能满足功率和性能的需求，英特尔在去年IEDM上发表了在300mm硅制程上制造硅基氮化镓的晶体管的研究。
图4：英特尔在300毫米硅基氮化镓技术的重大进展
（图源：英特尔）
最新的试验和测试结果表明，在300mm硅制程上制造硅基氮化镓的晶体管，比行业的标准提高了近20倍的增益。截止频率最高达到680GHz，意味这其非常适合用于5G基站，多天线阵列的电源管理，以及像未来很多电动车需要高速充电、大电流充电的电源器件。同时，因为其是在硅基制程上制造，所以与目前英特尔300毫米晶圆生产的流程较为兼容，从而达到比较好的生产工艺导入。这也为打造300毫米硅基氮化镓晶圆开辟了一条可行的路径。
除了上文中提到的三大主要方向的技术之外，英特尔还有其他前沿组件的研究，包括量子计算、铁电、反铁电等的研究。
图5：英特尔在今年IEDM上发布的8篇关于推动摩尔定律研究的论文
（图源：英特尔）
写在最后
在2030年达到在单个设备集成上万亿级晶体管，这不是给英特尔一家设的愿景，而是就像摩尔定律一样，给产业设的一个旗帜。要实现这一目标，包括先进制程、先进封装、芯粒和软件等在内的整个半导体生态系统必须共同努力，才能实现延续摩尔定律所需的创新。
原文始发于微信公众号（半导体芯闻）：英特尔为何说摩尔定律还没死？
