雖然“摩爾定律接近尾聲”的聲音不絕於耳，但IC業界對於更先進工藝製程的研究突破卻持續在為其“續命”。繼IBM宣稱試產2nm芯片還沒“上頭條”太久，台積電便聯合台大、麻省理工宣布研發出一種新型半導體材料——半金屬鉍，在1nm以下製程獲得重大突破。
IBM的2nm與台積電的1nm有何不同？未來的摩爾定律還將“維繫”多久？
殊途同歸？
半個世紀以來，摩爾定律作為指引半導體業發展的“金科玉律”，一路高歌猛進。從最初的數微米開始，數十年時間就已進階到主流的7nm、5nm，而3nm亦即將量產。而相繼在2nm與1nm的突破，能否讓摩爾定律再次“延期”？
細究起來，其實IBM和台積電路線不一，而效果是“殊途同歸”。
正如半導體行業人士陳穰所言，IBM的2nm試產是通過改進結構實現，而台積電的1nm更多是採用新材料改進了互聯接觸點。
從結構來看，隨着特徵尺寸的不斷縮小，柵極對於溝道的控制能力減弱，則必須引入新的器件結構以滿足晶體管的要求。
工藝的進階歷程也可看到這一趨勢：平面工藝晶體管的特徵尺寸縮小過程持續了數十年，之後難以為繼；到了2013年下半年16/14nm節點正式引入FinFET，然而FinFET僅僅維持了10年不到，2020年左右的3nm節點就有可能已轉入GAA，三星已推出了改良版環繞型晶體管結構MBCFET。
需要指出的是，在平面器件中，溝道只有一面面對柵極；在FinFET工藝中，立體溝道三面都被柵極圍繞；到了GAA，溝道由納米線構成，而納米線的四面都被柵極圍繞，從而再度增強柵極對於溝道的控制能力。
但GAA又能維持多久呢，答案恐難樂觀。有技術專家對此表示，目前來看GAA在3nm、2nm工藝被採用，但有可能就延續兩代或兩代半，到1nm時有可能轉向採用CMOS結構的CFET。
再次拉長時間來看，摩爾定律的終結看來仍無法逆轉。正如陳穰直言，儘管GAA等立體晶體管結構可為摩爾定律續命，但遲早有一天不斷微縮的晶體管將逼近物理極限，特別是晶體管的特徵尺寸——柵極寬度已經小到真的很難控制了，是不可能永無止境的。
解決發熱是關鍵？
仔細審視，摩爾定律的核心是物理極限、散熱和成本。
“這其中關鍵點就是散熱。100億個晶體管集成在小小的空間中，任何電流經過都不可避免地帶來發熱，晶體管數量翻倍帶來的巨大發熱量，導致芯片內部會變成一個大火爐，這個問題一直制約着晶體管數量的翻倍，可以說業內一直尋找各種各樣的辦法與發熱做鬥爭。”陳穰談到。
陳穰進一步介紹，發熱來自兩個部分，一是晶體管本身工作時帶來的熱量，第二是金屬互聯層帶來的熱量。
因而業界一直兩路並進。陳穰分析，一方面在尋找各種性能更佳、可替代硅晶體管的材料。另一方面就是尋找現有金屬互聯層的替代材料，包括阻擋層、接觸點材料等。
目前業內主流是認為碳納米管技術是未來取代硅晶體管、可大幅降低功耗的可行性方案。但陳穰提及，碳納米管仍存在一系列設計、製造和功能上的問題，需要逐步加以克服，如果解決了各方面的技術難題，或許碳納米晶體管有朝一日取代硅。
金屬互聯層的作用是可將所有晶體管的源端、漏端、柵極鏈接起來，以統一控制各個晶體管進行工作，實現大規模高速運算。對於降低金屬互聯層的發熱問題，陳穰指出，這有兩大改進方向，一是改變接觸點材料，二是改進金屬互聯層以及外部阻擋層材料，兩者目標都直指改進漏電、減少發熱。
台灣資深業界專家也認為，互聯決定金屬的特性及和硅共晶后的穩定性，在不同工藝節點所用的材料都不同。因為半導體底層結構是硅，而上層相連的接線需要低阻抗、高導電金屬等。不同材料性質不同，可能無法共晶，也可能會腐蝕，故需要一種能同時和硅、銅等穩定形成共晶而且不會腐蝕的金屬材料。
如今，金屬互聯層已從6英寸製程的鋁互聯，進階到8英寸的鎢，到12英寸工藝則大量使用銅互聯，14nm以下英特爾則開始嘗試用鈷。而台積電宣布用“鉍”材料來解決金屬互聯問題或在未來獲得成功。陳穰談及，新材料的實用化還需不斷探索，中間會有不小的難度，比如如何將鉍沉積等需着力解決。
但求新求變金屬互聯層，也不得不直面被顛覆的“命運”。陳穰着重說，未來可能採用“光互聯層”即硅光技術代替金屬互聯，以解決芯片內部互聯問題。因為光子不攜帶能量，因此其功耗相對於金屬互聯材料的萬分之一都不到，好處不言而喻。而且從更長遠來看，光子計算或將替代硅晶體管，其算力將遠超目前的傳統芯片。
只能說，技術的進階超乎想象。
28nm仍是大陸基本盤
雖然先進工藝的進展多路並進，但處於大國博弈大變局下的大陸代工業，仍需以28nm為“主力盤”。
中國大陸芯片代工沒法追趕世界最先進製程，不只是最先進的EUV光刻機遲遲搞不到這一個環節的問題，EDA、IP、設備等的嚴重滯后也極大地制約了代工進程，歷史的欠賬顯然不是一日形成的。
在危機四伏的時刻，現如今的形勢更加微妙，台積電不僅在美大筆擴建5nm廠，還將在南京着力擴建28nm產能，與大陸代工巨頭中芯國際28nm產能的擴建基本“前後腳”，可以說正面對決難以避免。
儘管業界對台積電重啟28nm戰線眾說紛紜，是大陸幫手還是美國幫凶的爭議不斷。但業界知名專家對此說，對於台積電自己的商業決定，恐不能進行太多干涉，畢竟台積電既不是軍工企業，也不是商務部黑名單企業，更不是發改委限制的落後產業，只要台積電不搞限制行業競爭的壟斷手段，就不能隨意阻止台積電投資，守住不提供超國民待遇就行了。但半導體代工業競爭直面全球化，而台積電與中芯國際在歷史上已產生了諸多恩怨紛爭，競爭從一開始就是硬碰硬，只是如今將更加殘酷。可以說，無論台積電等境外公司是否來大陸投資，大陸代工業都應持續自主創新，加快提升競爭力才是王道。
半導體業已然進入承載大國崛起榮與辱的歷史節點，它已不僅僅是企業層面的事情，更是與國運生生綁定在一起的。在美歐日韓均合縱連橫、大筆押注芯片製造業迴流和先進工藝的時刻，或許拯救中芯國際就是拯救大陸半導體業。（校對/清泉）