英特爾創始人摩爾曾經發表過著名的摩爾定律,其核心內容為「集成電路上可以容納的電晶體數目在大約每經過24個月便會增加一倍。換言之,處理器的性能每隔兩年翻一倍。」這一說法,在數年前半導體工藝停滯不前時,曾被業內認為已經過時。但隨著晶片製程工藝突破到7nm,甚至現在開始向3nm製程進軍之際,人們才發現摩爾定律依然有著其意義。
而現在看起來,摩爾定律在未來數年裡依然會繼續生效。目前晶片製程已經發展到5nm,臺積電很有可能在明年會上馬5nm+甚至是4nm的生產線,而3nm也預定會在2022年正式量產。這樣無論是移動晶片還是其他高端晶片,繼續提電晶體以及增加性能是必然的事兒。而更重要的是,現在1nm的光刻機也已經完成設計,將在2022年正式商業化。
在剛剛結束的ITF Japan 2020大會上,比利時半導體公司imec宣布了與荷蘭ASML公司合作研發的新一代高解析度EUV光刻技術(High NA EUV Lithography)的成果,宣稱「摩爾定律並不會停下來」。ASML現在的光刻機可以解決5nm晶片的工藝,而3nm、2nm、1nm甚至是1nm以下所需的EUV光刻設備則需要這種合作的新技術成果,預計首款NXE 5000系列高NA EUV光刻機會在2022年底前實現商業化。
據imec公司總裁Luc Van Den Hove指出,該公司與ASML緊密合作,共同開發高解析度EUV光刻技術並獲得突破,甚至製程到達了1nm甚至更小,製程微縮化仍然會繼續,摩爾定律並不會停下來。也就是說新的EUV光刻機未來不僅可以支持1nm製程工藝,同時1nm以下的製程,也可以在新的光刻機上實現。
在當前,臺積電與三星在7nm製程中使用了NA=0.33的EUV光刻設備,並通過插值的方式實現了5nm製程,但到了2nm或以後就需要使用到更高解析度的光刻設備,ASML已經完成了高NA EUV光刻技術光刻機的基本設計,型號為NXE 5000系列,其NA=0.55並預計在2022年實現商業化,預期3nm、2nm、1.5nm、1nm甚至低於1nm製程都能完全應對。
臺積電和三星宣稱會在2021年實驗性量產3nm晶片,應該是基於目前ASML的EUV光刻機,而不是採用新的NXE 5000系列。在技術方面,臺積電和三星應該都有自己方案去解決3nm的製程工藝,不過NEX 5000光刻機出來之後,肯定會遭到臺積電和三星的瘋搶,因為這樣肯定會降低自己未來在晶片製程發展上的難度,而且也能保證自己在量產時的產能和良率。
不過從另一個角度來看,我國本土在晶片製造方面要趕超國外,難度也是越來越大。現在最新的前沿科技,都是集全球科技大成而發展起來的,海外本來在這方面領先幅度就比較大,而且更多科技都是跨國跨公司合作,國內在技術封鎖的前提下要自己單幹的確很艱難。
按照我國目前的晶片製造技術來看,國產的光刻機製程工藝才停留在28nm,且不知道是否是完全自主化的國產技術。雖然28nm以及14nm的晶片,對於大多數國內非高端產品來說也足夠了,但是在高性能設備上,依然是不夠看的,比如移動晶片。如果按部就班來的話,完全自主的國內晶片製造,可能要十數年甚至數十年,才能達到海外現在的水平。
所以現在才有人認為,跳出傳統晶片製造的格局,在國內發展光晶片從而實現彎道超車。但現實的情況是,海外研究光晶片已有不短的時間,比如Intel很早就開始研發光子晶片,但依然認為光子晶片的技術離商業化還有很遠的距離。現在國內很多廠商都在研究光子晶片,甚至華為在武漢的光工廠已經封頂,但是不是能真的彎道超車,或者較早實現光子晶片商業化,還需要時間給我們答案。
但無論如何,至少在這幾年裡,傳統晶片的發展不會停下腳步,手機也好,PC也好,未來在降低功耗的前提下,性能大幅提升,依然是必然的趨勢。