編者按 “十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要提出，要強化國家戰(zhàn)略科技力量，加強原創(chuàng)性引領性科技攻關，其中特別提到集成電路領域的技術研究。
據此，本版推出集成電路系列報道，關注集成電路領域的最新進展和研究展望。
3月末，蔚來汽車宣布因芯片短缺暫停生產5天，這一公告引起社會熱議。不僅是汽車，如今我們的生活已經離不開芯片，隨著芯片在日常生活中占據的位置日益重要，其升級也受到越來越廣泛的關注。
提到芯片的發(fā)展升級，就不得不提起大名鼎鼎的摩爾定律。1965年4月，《電子學》（Electronics）雜志上發(fā)表了一篇對電子行業(yè)進行預期的文章，提出微處理器運算能力每12到18個月提高一倍，或者說是芯片從設計到制造過程中，工藝進步使得集成度翻倍，成本減半。
摩爾定律提出50年后，提出者戈登·摩爾在接受采訪時吐露心聲：這只是一個大膽推測。“但后來這個推論不斷驅動和主宰半導體行業(yè)的發(fā)展，我也就心安理得了。”
幾十年來，一直有“摩爾定律不久就會失效”的聲音，但時至今日，它仍顛撲不破。集成電路發(fā)展取得突破的新消息仍舊不斷傳來，繼5納米后，3納米芯片已在量產途中。與其說戈登·摩爾做出了大膽的預測，不如說他給半導體行業(yè)做出了不斷前進的“小目標”。
是預測，更是小目標
我們可以將集成電路想象成在硅片上的“微雕”，即在硅圓晶上雕刻亭臺樓閣、立交路網甚至整個城市，只不過所用的“刻刀”是光。
為什么當下集成電路領域的少數企業(yè)能夠形成壟斷？例如光刻機荷蘭阿斯麥爾獨領風騷，芯片制程臺積電一騎絕塵。
它們其實并不是一開始就領跑的。“日本的光刻機其實在這個行業(yè)里稱霸了幾十年，但當極紫外光刻到達某個程度，由于資金和人力成本投入太高，日本的產業(yè)做出了一個預判，花更大成本獲得更高精度的芯片可能很難得到廣泛的商業(yè)應用，因此對投入產出比的判斷使他們放緩了對更高精度光刻機的研制。” 中國科學院微電子研究所研究員周玉梅告訴科技日報記者，而荷蘭做光刻機的團隊執(zhí)著地認為技術能夠一點點往前推進，在不斷推進的過程中，一些大企業(yè)加入合作，如臺積電即在前期進入、投入，共同研發(fā)。
合作使得新的技術極限很快獲得突破。
正是由于半導體產業(yè)的不同位置的企業(yè)、團隊的共同推進和成果共享，突破極限的芯片被成功應用，摩爾定律也因此可以繼續(xù)向前推進。
雖然在推動半導體產業(yè)遵循摩爾定律的過程中，很多企業(yè)的投入成為“炮灰”，但從人類挑戰(zhàn)微觀世界極限的角度來看，它們非常值得尊重。
二十多年前，極紫外光刻等技術路線尚在探索中。據記載，1997年業(yè)內就預測2006年芯片特征尺寸將縮小到100納米，而100納米是一種挑戰(zhàn)，因為制造小于100納米線寬的集成電路時，光源波長將大于其特征尺寸，常規(guī)的光學光刻工藝失靈，為此必須尋找一種完全嶄新的光刻工藝。世界各大半導體公司、大學和研究所那時都努力探索研究這種新工藝，如英特爾公司領導的聯合體采用光源為氙氣的特別紫外線光刻，其波長小于10納米；IBM公司采用X射線光刻，其波長為5納米；美國得克薩斯大學和美國半導體制造技術戰(zhàn)略聯盟聯合采用紫外線光刻刻出80納米圖形，同時采用特殊的刻蝕石英掩膜，朗訊公司采用電子束光刻……這些方法復雜、昂貴，需要大批量生產考驗。
當然，最終經受住考驗的那個結果我們這個年代的人已經知曉，但在當時為了實現突破極限、按照摩爾定律推進的“小目標”，整個產業(yè)都勇立在原始創(chuàng)新的潮頭。
不同環(huán)節(jié)共同推進技術發(fā)展
在硅晶上“微雕”一個縮微城市，讓每個電子都帶著正確的指令飛奔，當然不會是光刻機“獨挑大梁”。
單就芯片的制造設備來說，從大類分包括光刻機、清洗設備、薄膜生長設備、高溫固化設備、刻蝕設備等。而從整個生產鏈條看，材料、設計、軟件、元器件等都是這個產業(yè)鏈上不可或缺的環(huán)節(jié)。例如在細線條的光刻機上已經鮮有聲音的日本，在集成電路制作的專用材料上仍占據重要位置。而美國在芯片設計軟件、設計技術方面是領先的。
芯片不斷突破極限的發(fā)展就是在這個鏈條上的不同環(huán)節(jié)上不斷地打破瓶頸。例如，自2005年至今，隨著晶體管密度越來越大，晶體管電路逐漸接近性能極限，當晶體管越做越小時，就會產生電子等微觀粒子通過量子隧道效應穿越位勢壘的行為，使晶體管出現漏電現象。
工程師們正在努力地攻克這些瓶頸，他們創(chuàng)新性地突破了一些難題，但隨著技術的不斷發(fā)展，遇到的問題也會越來越復雜。
如在元器件方面，2020年12月17日，復旦大學微電子學院發(fā)布消息，該院周鵬教授團隊針對具有重大需求的3—5納米節(jié)點晶體管技術，驗證了雙層溝道厚度分別為0.6/1.2納米的圍柵多橋溝道晶體管（GAA，Gate All Around），實現了高驅動電流和低泄漏電流的融合統(tǒng)一，為高性能低功耗電子器件的發(fā)展提供了新的技術途徑。
據悉，GAA晶體管有望取代現在集成電路上使用的FinFET（鰭式場效應晶體管），有望解決微縮提升性能難以為繼的問題。韓國三星和臺積電均已掌握了這一項技術，或將用在3納米或2納米芯片中。
而在芯片基材方面，哈爾濱工業(yè)大學韓杰才院士團隊，與香港城市大學、美國麻省理工學院等單位合作，在金剛石單晶領域取得重大科研突破。相關研究成果“微納金剛石單晶的超大均勻拉伸彈性”2021年1月在線發(fā)表于《科學》雜志。除了金剛石芯片之外，人們還在探索石墨烯作為芯片的基材。
再比如光刻機光源方面，清華大學及合作研究團隊2月25日在《自然》上發(fā)表的論文展示了一種新型粒子加速器光源原理。《自然》
維持摩爾定律的“動力”在哪里
關于摩爾定律極限的問題，戈登·摩爾引用了史蒂芬·霍金在硅谷回答同樣問題時的言論：“他提出了兩個技術極限，即光的極限速度和物質的原子本質。我非常同意他的觀點。我們目前已經很接近‘原子’極限（原子的直徑在0.01納米到0.1納米之間），而芯片的運行速度也越來越快，但離光速還很遠。這兩個都是最基本的自然法則，我們很難達到和超越這個極限。這也是未來幾十年里工程師們需要接受的挑戰(zhàn)。”
那么究竟是什么動力，讓整個產業(yè)持續(xù)創(chuàng)新，共同推動技術逼近自然極限？
市場無疑是產業(yè)發(fā)展的原創(chuàng)動力——
3月1日國新辦新聞發(fā)布會上，工業(yè)和信息化部黨組成員、總工程師、新聞發(fā)言人田玉龍介紹，2020年我國集成電路銷售收入達8848億元，平均增長率達20%，為同期全球集成電路產業(yè)增速的3倍。
集成電路產業(yè)不僅“蛋糕”大，而且“未來可期”，甚至可能會有“彎道超車”的機會。
“5G通訊可能會帶來新一波的需求，除5G通信本身的需求需要不同芯片，5G的應用也會帶來新的需求，如物聯網等。”周玉梅分析，“人工智能走向普及化也對適用于人工智能的芯片產生更多需求，人工智能與5G的疊加也可能衍生出更多的新應用，對于這些預判，業(yè)內認為集成電路仍舊會是一個蓬勃發(fā)展的產業(yè)。”
正是有了這樣的預判，全球的資本才愿意繼續(xù)追逐技術的創(chuàng)新，不斷地往前推進。
那么，究竟摩爾定律到什么時候真正“失效”？戈登·摩爾也被無數次地問及這一問題。
他認為，現在還有其他技術蘊含的發(fā)展?jié)摿赡軙^集成電路，例如納米產品、石墨氮原子層等新材料等。他猜測當攻克某個技術難題付出的成本太高，技術創(chuàng)新本身意義不大，進一步縮小元件尺寸所需的設備的造價非常昂貴時，摩爾定律可能會逐步退出歷史舞臺。但人們消費電子產品的方式不會有很大變化。當人們的思路跟不上技術發(fā)展時，他們會選擇停止追逐新功能，不會再追潮流每年購置新產品，而是把舊產品用上三五年，企業(yè)也會放緩發(fā)展新技術的腳步。
