摘要： 英特爾不懈推進摩爾定律，在制程工藝基礎創新方面有着深厚底蘊。在推進摩爾定律的過程中，先進封裝為架構師和設計師提供了新工具。 英特爾還擁有完備的研究體系，這讓我們有信心延續摩爾定律。總而言之，在不斷踐行摩爾定律的使命時，設計師和架構師擁有多種選擇。
摘要： 英特爾不懈推進摩爾定律，在制程工藝基礎創新方面有着深厚底蘊。在推進摩爾定律的過程中，先進封裝為架構師和設計師提供了新工具。 英特爾還擁有完備的研究體系，這讓我們有信心延續摩爾定律。總而言之，在不斷踐行摩爾定律的使命時，設計師和架構師擁有多種選擇。
本文作者：Ann Kelleher博士
英特爾執行副總裁兼技術開發總經理
圖1：原圖來自《在內建電路上容納更多元件》一文
1965年，英特爾的聯合創始人戈登·摩爾預測，單個晶片上的半導體數量大約每兩年翻一番，而成本隻會有極小的增加。該預測被稱為摩爾定律，如圖1所示。單個裝置上的半導體或元件越多，在單個裝置性能提升的同時，其成本卻在降低。
在新冠肺炎疫情的影響下，世界的數字化在過去兩年裡急劇加速，而半導體産業及其創新強化了數字化程序。
“技術對人類而言從未像現在這樣重要。在四大超級技術力量的推動下，萬物都在數字化。”——英特爾CEO帕特·基辛格
這四大超級技術力量是無所不在的計算、從雲到邊緣的基礎設施、無處不在的連接配接和人工智能，它們将超越并改變世界。目前，我們看到世界對算力的需求永無止境，更多的算力将持續推動行業進行更多創新。例如，全球每天會産生約270000PB（即27x1019）的資料。預計到2030年，平均每個人将擁有1petaflop（每秒進行1015次浮點運算）的算力和1PB的資料，時延不到1毫秒。這種對計算能力越來越強的需求，是驅動行業推進摩爾定律的動力。
40多年來，英特爾工程師不斷創新，将越來越多的半導體整合到更小的晶片上，持續推進摩爾定律。2010年代中後期，業界曾多次預測“摩爾定律已死”，我覺得這樣的報道被過分誇大了。創新并未止步，英特爾将一如既往地通過制程工藝、封裝和架構等方面的創新來推進摩爾定律。挑戰一直存在，而英特爾也已準備好面對挑戰。
當下的創新
制程
圖2：随時間的推移，半導體方面的創新
如圖2所示，英特爾不懈推進摩爾定律，在制程工藝的基礎創新方面有着深厚底蘊。當晶片上的特征縮小到原子級别大小時，英特爾的工程師和科學家不斷面臨着實體學帶來的挑戰并克服它們。憑借高k金屬栅極技術、三栅極3D半導體和應變矽等發明，英特爾持續提供突破性技術以推進摩爾定律。到2000年代後期，随着實體尺寸不斷縮小，業界意識到需要其他領域的創新以跟上摩爾定律的步伐，包括材料科學、新的制程架構和設計工藝協同優化（DTCO）。
英特爾下一個偉大的架構創新是RibbonFET，這是英特爾在Gate All Around（GAA）半導體上的實作，将與Intel 20A一同推出。RibbonFET代表了英特爾自FinFET以來的首個全新半導體架構。RibbonFET能在更小的占用空間中，以相同的驅動電流提供更快的半導體開關速度。同時，英特爾還提供業界首個背面電能傳輸架構PowerVia。以前，電源來自裸片頂部并與信号互連“競争”。現在通過分離電源和信号，能更有效地使用金屬層，這減少了對兩者的權衡，并提升了性能。下一代極紫外（EUV）光刻技術，即高數值孔徑（High-NA），進一步提高了分辨率并減少誤差，降低了制程工藝的複雜性，同時提高了設計規則的靈活性。英特爾正與ASML及其他生态夥伴緊密攜手，率先将這項技術投入量産。
這些例子隻是開始。在Intel 20A和Intel 18A節點引入RibbonFET和PowerVia之後，新的後續制程節點已經在開發中，進一步優化了功耗、性能和密度。這些進步得益于多項創新，包括後端金屬電阻和電容的改進、半導體架構和庫架構的改進。正如英特爾在2021年7月所宣布的，随着英特爾逐漸實施這些創新和其他方面創新，我們預計到2024年在半導體的每瓦性能水準上與行業齊頭并進，到2025年取得領先地位。
封裝
圖3：随時間的推移，封裝方面的創新
封裝的作用及其對摩爾定律微縮的貢獻正在演進。直到2010年代，封裝的主要作用是在主機闆和晶片之間傳輸電源和信号，并保護晶片。從引線鍵合技術和引線架構封裝，到陶瓷基闆上的倒裝晶片技術，再到對有機基闆的采用和多晶片封裝的引入，彼時的每一次演進都增加了連接配接數量。這些連接配接能支援晶片中的更多功能，而這也是摩爾定律微縮所需的。封裝是實作摩爾定律效益的載體。（如圖3所示）
展望未來，随着進入先進封裝時代，我們看到封裝帶來了半導體密度的提升。甚至連戈登本人也意識到了封裝的重要性，并在他的原始論文中寫到：“事實證明，用較小的功能子產品建構大型系統可能會更經濟，這些功能子產品将分别進行封裝和互連。”随着進入先進封裝時代，這些2D和3D堆疊技術為架構師和設計師提供了工具，以進一步增加單個裝置的半導體數量，并将有助于實作摩爾定律所需的微縮。
例如，英特爾的嵌入式多晶片互連橋接（EMIB）技術，允許設計師在封裝中（如戈登所說）“容納更多半導體”，進而遠遠超過單個晶片的尺寸限制。EMIB技術還支援在一個封裝中使用來自不同工藝節點的晶片，允許設計師為特定IP選擇最佳工藝節點。英特爾的Foveros技術提供了業界首創的有源邏輯晶片堆疊能力，能在三維空間中增加邏輯半導體。這兩項成就展現了英特爾在為單個封裝内提供越來越多半導體的方式上，發生了顯著變化。結合起來，這些技術可以實作前所未有的內建水準。例如Ponte Vecchio，英特爾将47種不同的晶片組合在一個封裝中，為先進封裝功能樹立了新的基準。
英特爾即将推出的下一代Foveros技術——Foveros Omni和Foveros Direct，提供了新的微縮、新的互連技術和新的混搭能力。Foveros Omni進一步将互連間距微縮到25微米，并增加了多個基礎晶片的選擇，與EMIB技術相比，其實作了近4倍的密度提升，同時也擴充了英特爾混搭基礎晶片的能力。Foveros Direct引入了無焊料直接銅對銅鍵合，可實作低電阻互連和10微米以下的凸點間距。由此産生的互連能力，為功能性裸片分區開辟了新的視野，這在以前是無法實作的。同時，該技術還能垂直堆疊晶片的多個有源層。随着這些技術和其他技術進入市場，先進封裝将為設計師和架構師提供另一種工具用于推進摩爾定律。
未來的創新
元件研究
圖4：英特爾元件研究團隊的主要研究領域
正如我之前提到的，我認為創新以及最終使用者的需求推動了摩爾定律的發展。英特爾的元件研究團隊專注于三個關鍵研究領域（如圖4所示），為未來更強大的計算提供基礎構模組化塊。英特爾有着完備的研究體系，這讓我們有信心在未來十年或更長時間持續推進摩爾定律。推進摩爾定律的未來創新，隻受限于我們的想象力。最近，在2021年IEEE國際電子器件會議（IEDM）上，英特爾概述了未來創新的幾個領域。
英特爾研究工作的重點之一，是能在相同面積上提供更多半導體的微縮技術。這包括光刻技術的創新，例如分子定向自組裝技術（DSA），以改進邊緣粗糙度和提高邊緣定位精準度。我們還在研究僅有幾個原子厚度的新型材料，以制造更薄的半導體，進而縮小它們的整體尺寸。除了類似這樣的創新外，英特爾正在打造可行性技術以垂直堆疊半導體，或是單片內建在同一塊晶片上；或是像芯粒（chiplets）一樣，通過使用先進封裝技術，如混合鍵合（hybrid bonding）技術，不斷縮小垂直界面間距。借由新材料、半導體架構創新、光刻技術突破和封裝發明等帶來的自由度，設計師隻會受限于想象力。
随着通過微縮實作更強大的計算，英特爾需要為晶片帶來新的功能并突破其限制，通過內建新材料能更高效地提供電源并滿足對記憶體的更大需求。英特爾還在研究鐵電和反鐵電材料，它們可以在不依賴低漏電半導體的情況下，根據不同類型的實體特性保持其電荷狀态。英特爾發明了一種基于鐵電材料獨特實體特性的新型記憶體架構，該架構通過使用一個具有多個并聯電路的存取半導體，實作存儲單元位密度的顯著提升。對于緩存和主記憶體之間的嵌入式密集記憶體層而言，鐵電記憶體是非常好的選擇。
英特爾也在擁抱量子領域，不僅僅是以量子計算的形式，還在探索基于實體和材料科學新概念所衍生的新技術，這在未來可能會改變世界的計算方式。摩爾定律的長期發展，需要解決目前基于CMOS的計算對功耗需求呈指數增長的問題。為了持續推進摩爾定律，需要在環境室溫下利用材料中的量子效應（稱為量子材料），以擴充超低功耗解決方案。在2021年的IEDM上，英特爾分享了超越CMOS器件研究的一個巨大裡程碑：磁電自旋軌道（MESO）邏輯器件的首次功能示範，其讀寫元件能在室溫下正常工作。自旋軌道輸出子產品和磁電輸入子產品都內建在器件中，并通過施加輸入電壓實作磁化狀态反轉。憑借其能實作更高功能多數決定門（與NAND和NOR相比）的能力，由3個MESO器件形成的超低功耗多數決定門就能執行一個1位加法器，否則需要28個CMOS半導體。
總結
圖5：摩爾定律下單個裝置半導體數量的變化：
過去、現在及未來
根據摩爾定律預測，單個裝置的半導體數量将每兩年翻一番。摩爾定律由創新驅動，圖5展示了過去、現在及未來單個裝置半導體數量的變化。在最初的40年裡，半導體數量的增長主要得益于制程工藝的創新。展望未來，半導體數量的增長将同時得益于制程工藝和封裝的創新。英特爾的制程工藝将繼續實作曆史性的密度提升，同時英特爾的2D和3D堆疊技術為架構師和設計師提供更多工具，以增加單個裝置的半導體數量。當展望High NA、RibbonFET、PowerVia、Foveros Omni和Foveros Direct等創新技術時，英特爾意識到創新永無止境，是以摩爾定律仍将繼續前行。
總而言之，當考慮到所有制程工藝和先進封裝創新時，英特爾有諸多選擇能繼續按照客戶要求的節奏，将單個裝置的半導體數量翻一番。隻有當創新停止時，摩爾定律才會失效，而英特爾在制程工藝、封裝和架構方面的創新将永不止步。預計到2030年，英特爾将在單個裝置中提供約1萬億個半導體，我們正為實作這一目标不懈努力。