谁能影响摩尔定律—访英特尔马博

　　Mark T. Bohr（马博）：英特尔高级院士，技术与制造事业部工艺架构与集成部门总监。1978年加盟英特尔，曾负责开发：英特尔首次推出的CMOS技术、全球首项CMOS DRAM技术、英特尔首项BiCMOS技术，以及新近推出的采用应变硅晶体管以及铜和低K互连技术的90nm和65nm技术；目前领导开发英特尔45nm技术。

　　马博在伊利诺伊大学香槟分校获得工业工程学士和电气工程硕士学位。他于2003年获得IEEE安德鲁·格鲁夫奖，2005年当选美国国家工程学院院士。马博在集成电路工艺领域拥有31项专利。

　　1997年，美国计算学会（ACM）为纪念成立50周年，邀请了图灵奖获得者等20位计算权威预测未来50年的计算，并集结成《超越计算：未来50年的电脑》一书，因为对未来的展望是对历史最好的纪念。

　　今年是集成电路发明50周年。4月3日，英特尔半导体工艺领域首位高级院士马博在上海举办的英特尔信息技术峰会上接受了本报记者的独家专访。我们希望通过对半导体工业未来面临的挑战和机遇的探讨，来纪念过去50年来集成电路对电子工业乃至整个人类社会做出的贡献。

　　摩尔定律迈过一坎儿

　　记者：半导体公司都在积极地探索ＨｋＭＧ（高ｋ材料和金属栅极材料），英特尔找到合适的ＨｋＨＧ的过程，是像牛顿从苹果落地而发现万有引力定律那样灵机一动，还是像爱迪生寻找合适的灯丝材料那样经过无数次试验？

　　马博：和爱迪生的经历更为相似。我们多年来系统地测试了各种各样的材料，并且将试验工作和理论工作相结合，以确定最佳的HkMG。

　　记者：经过了多少次试验，数千次？

　　马博：我不知道是否能给出确切数字。或许不到一千种，但可以确定地说，至少研究了上百种不同的材料或材料组合。

　　记者：英特尔２００７年在４５ｎｍ工艺上引入ＨｋＭＧ，是ＣＭＯＳ工艺４０年来最重要的革命。的确，无论是重启了晶体管体积缩小的进程，还是为未来数代加工工艺的实现扫清了障碍，ＨｋＭＧ都有重要的意义。你如何看ＨｋＭＧ对半导体工业的价值？

　　马博：我认为HkMG晶体管的发明对半导体工业具有巨大价值。若没有此项发明，按照摩尔定律，行业发展即使不会陷于停滞，发展速度也会大大降低。现在我们正处在一个开发新材料、新结构至关重要的时期，如同缩小物理尺寸一样重要。

　　记者：ＨｋＭＧ缩小的是晶体管栅极绝缘层的厚度，而非投影面积。请问ＨｋＭＧ对芯片集成度是否有直接的贡献？

　　马博：水平尺度主要是受光刻技术能力的制约。但是，HkMG技术的确能提供更好的性能和显著降低漏电流，这对于将更多的晶体管集成到芯片上是至关重要的。可以说是间接提高了集成度。

　　记者：随着线宽的缩小，工艺的生命周期也在不断变短，请问ＨｋＭＧ最终能够有效支持的线宽是多少？

　　马博：我们认为尺寸还可以缩小到35nm、25nm。至于进一步超过这一水平，我想还需要新的发明。但HkMG至少有助于缩小45nm之后至少两代的尺寸。

　　记者：之后呢？

　　马博：我们的研究部门在继续探索45nm之后可能出现的各种晶体管，例如薄膜晶体管，或者采用多种半导体相结合的晶体管。我们还没有做出决定和对外宣布将采用何种新型晶体管。

　　记者：光刻技术应该是左右制造工艺升级换代的主要因素，据报道１９３ｎｍ浸没式光刻技术能够保证４５ｎｍ和３２ｎｍ制造技术的实现。请问其继任者１５７ｎｍ光刻技术能支持哪几代工艺？

　　马博：对于32nm技术，我们的确对关键层采用了193nm浸没式光刻技术。浸没式光刻技术在分辨率上有显著提高，尽管这种光刻技术价格更为昂贵。同时我们认为浸没式光刻技术可以沿用到32nm之后的22nm。再往下，大家过去曾探索过157nm波长，但由于与157nm波长兼容的光源和透镜实现起来十分困难，已被半导体行业所放弃。行业现在主要关注的是130nm极紫外（EUV）光刻技术，将其视作193nm浸没式光刻技术最有可能的后继技术。

　　记者：光源的波长决定了光刻工艺，目前，４５ｎｍ工艺使用的是波长为１９３ｎｍ的准分子激光ＡｒＦ。我们知道，目前科学仪器中分辨率最高或者说波长最短的是基于德布罗意波的电子显微镜等电子束仪器。请问这类电子束技术在未来光刻技术中的应用价值？

　　马博：电子束光刻技术一直被认为是一种备选方案，因为它能实现非常小的外形尺寸，但电子束光刻技术的问题是，它是一种非常慢的技术，也许不适合大规模制造，所以英特尔并不认为目前电子束是一种可用于制造工艺的现实选择。

　　记者：２００１年的诺贝尔物理奖颁给了玻色－爱因斯坦凝聚方面的研究，而这种研究将使波长极短的原子激光器成为可能，请问未来原子激光器在光刻领域的应用前景？

　　马博：我对这种技术并不十分熟悉，不过毫无疑问，半导体行业对任何高强度、短波长的光源都十分感兴趣。波长为130nm的EUV仍是下一步最有可能被采用的技术，在这之后我们还可能寻求更短的波长。但我现在不能确定具体是何种技术。

　　记者：在过去的５０年中，硅片上的引线线宽不断变窄，但引线材料变化却很小——只是从铝升级到铜。请问铜互连技术最终能支持的线宽是多少？而下一代的碳纳米管引线技术能否用平面工艺实现？

　　马博：显然，铜引线材料仍然是一种十分实用的技术，我们相信它可以缩小到20nm。然而在如此微小的尺度下，引线的电阻率会急剧升高，所以我们的研究部门正在探索碳纳米管等替代材料。不过目前碳纳米管在技术上仍面临着两大挑战：其中之一是如何恰到好处地在衬底上的恰当位置形成碳纳米管，以及制作碳纳米管之间的连接电路，同时还要确保低电阻。尽管存在技术挑战，但我们仍然开展了积极的研究。

　　不应忽视的封装与测试

　　记者：在ＳｏＣ的趋势下，当前，将逻辑电路与模拟电路、射频电路集成在一起会有多大挑战？

　　马博：这是可以实现的，当然会出现一些问题和复杂情况。但这样做不一定最佳。我们应当始终牢记真正的目标，即：将所有功能集成到尽可能小的尺寸内。这不一定意味着要将不同部件集成到同一个管芯上，两个管芯并列或者堆叠起来的芯片或许尺寸同样小，但却更加易于制造。

　　记者：５０年来平面工艺一直是集成电路的标准工艺，现在已经有了堆叠式的立体封装技术，请问在前道上引入立体工艺有多大价值？

　　马博：我个人对在工艺流程中将晶体管层堆叠起来持怀疑态度，因为向不同层面的晶体管提供电源是个十分复杂的问题，而且还要在运行过程中实现不同层面晶体管的散热。所以我个人认为这在最近的将来还不太可能出现。当然芯片的堆叠在封装中已经实现，并且我们将继续采用这一技术。

　　记者：通常大家都很关注制造技术升级带来的挑战，却容易忽视伴随晶体管数量增加和芯片结构复杂化对测试技术带来的严峻挑战。你是如何看待这个问题的？

　　马博：的确，测试复杂的大规模处理器在技术上是一项困难的挑战。不过我们解决该问题的手段之一是在处理器芯片上安装一些自测试电路。所以处理器可自行进行内部测试，而无需完全依赖外部测试。所以这一困难是可以控制的。

　　记者：现在的芯片测试主要与频率和温度相关，即在给定的时钟频率和温度范围内测试芯片逻辑是否正常，但却很难对芯片做基于时间的压力测试。但是，随着线宽的进一步变窄，在长期高温环境下，材料的缺陷和引线金属原子的迁移引发的故障几率将大大增加，那么，以往模拟芯片所关心的时间漂移问题现象，是否会在逻辑芯片上出现？

　　马博：这在理论上是可能的，但是我们在开发阶段进行了广泛的长期测试，使得我们开发的技术可实现长久的可靠性。我们只有在证明电路和工艺具备良好的长期可靠性时，才会发售相关产品。

　　记者：在线宽越来越窄的情况下如何解决长期可靠性的问题？

　　马博：在这种情况下，某些可靠性问题的确不断加剧。但我们借助新型材料，通过广泛的测试，来确保更窄的线宽在预期的工作年限和电压范围内保持可靠性。

　　记者：２００２年底，英特尔当时的ＣＴＯ基辛格在接受我采访时表示，如果一个半导体厂商每年在应用技术上的投资不足１０亿美元，那么，它已经跟不上摩尔定律的步伐了。事实上，当时只有英特尔、ＴＳＭＣ（台积电）、三星、ＵＭＣ（联华电子）、ＩＢＭ、ＳＴ（意法半导体）这６家厂商的投资超过１０亿美元。到了２００５年，他又告诉我，这一门槛已经提高到１５亿美元。请问现在的门槛有多高？跟上摩尔定律的厂商数目是增加了还是减少了？

　　马博：基辛格说得对。跟上摩尔定律需要大量投资，而且投资门槛也提高了。我并不是英特尔的财务专家，所以无法断言今天的市场进入门槛究竟有多高，但的确价格不菲。而且我相信正是由于这样高的门槛，更多的公司将在跟上摩尔定律的竞争中被淘汰。

　　记者：有没有一个大概的数字？

　　马博：这个问题有点复杂，因为有些公司试图组成联盟。这或许是整合资源的一种合理模式。比如，IBM、AMD和三星在逻辑技术方面组成联盟。这样或许能整合多家公司的财力，以便跟上摩尔定律的步伐。我的观点是，这一模式或许有助于解决资金紧张的问题，但是如何使多家合作伙伴就怎样开发一项特定技术达成共识仍是一个复杂的问题。因此，尽管他们或许能筹集足够的投资，但要达成共识并着手开发工作，或许要花更长的时间。因而公司联盟是否能成为一种行之有效的模式，目前还难以断言。

　　记者：作为全球最大的半导体厂商，英特尔工厂规模也应是最大的，能否透露一下英特尔现在有多少个Ｆａｂ（工厂）。但随着大直径晶圆对产能的提升，以及Ｆａｂ投资费用攀升带来的压力，英特尔 Ｆａｂ数量会不会逐步减少，你认为，合理的数目应该是多少？

　　马博：我没有掌握相关数字，但我们不断建立新的Fab，或者在某些情况下改造老的Fab以适应新技术。就我们的45nm工艺而言，我们有两个生产芯片的大型Fab，一个在俄勒冈州，另一个在亚利桑那州。我们正在以色列建一个全新的Fab，这将成为第三个。第四个将落户新墨西哥州，是由现有的90nm工艺升级到45nm工艺而成。到今年年底，我们将有四家工厂采用45nm技术。

　　记者：建设一个新的Ｆａｂ，比如采用３２ｎｍ技术，需要多长时间？

　　马博：这取决于多方面的因素。比如在一个原先没有Fab的地点新建，花的时间要长一些。还取决于当地承包商有多少建设经验。不过我想，位于亚利桑那州与其他两个较老的Fab比邻的Fab 32建设的过程非常快，只是我不记得具体用了多长时间。

　　芯片厂商的核心竞争力

　　记者：通常，软件可以有多种实现方式，比如说，６＝１＋５，也可以２＋４，或者３＋３。而半导体的制造就没有那么幸运了，众多的知识产权就像布满地雷的地带，其他厂商既无法绕行又很难穿行。除了生产设施上的财富较量之外，知识产权的壁垒作用是否也构成了半导体制造上的竞争力？

　　马博：英特尔和包括一些竞争对手在内的许多公司签订了专利交叉许可协议，以确保我们都能正常开展业务，而不是把大量的金钱都花在互相打官司上。所以交叉许可有助于最大限度地减少专利权争议。不过也有些公司不愿或不能和我们进行专利交叉许可，所以专利权问题对它们或许构成了一种障碍。但是绝大部分公司都学会了如何规避这一问题，因为大家都持有数量彼此相当的专利，那么最好的办法也许是互相交换专利许可。

　　记者： 基辛格还表示，未来半导体的竞争将会是英特尔这样对产品设计和制造过程同时进行优化的商业模式和像ＴＳＭＣ那样用标准的制造过程为不同公司制造不同产品的商业模式之间的比赛。在９０ｎｍ引入上，Ｆｏｕｎｄｒｙ（标准工艺制造商）和Ｆａｂｌｅｓｓ（无生产线芯片制造商）已经落后于英特尔这样的ＩＤＭ（集成器件制造商）。经过６５ｎｍ，现在到了４５ｎｍ，这两种模式之间目前的差距有多大？

　　马博：显然，两种模式差别显著。但我想这两种模式是服务于不同市场和不同用途的。Foundry模式适于企业规模较小、产量不大、难以自行开发工艺技术的公司。我想对于这些公司而言，这种模式是非常成功的。然而对于英特尔而言，由于我们产量高，开发自己的工艺技术就显得十分必要。而且这也给我们带来了特定的优势，因为我们能够更好地将工艺和产品设计相匹配，实现最优化。这也使得英特尔能以比其他公司更快的步伐推出新产品。

　　记者：随着工艺技术的发展，两种模式之间的差距是否越拉越远？

　　马博：我想英特尔在开发任何技术节点方面已经大幅度领先TSMC。不过他们仍是一家出色的公司。他们雄心勃勃，并且将继续取得进步。但我想他们不太可能在产品出货量、缩小产品尺寸和类似HkMG的技术创新方面赶上英特尔。

　　记者：随着制造工艺不断变窄，可选的技术路径是否会越来越少？

　　马博：我想可以肯定的是，随着尺寸变小，好的解决方案会越来越少。半导体行业将会不约而同地采用少数几种解决方案来实现先进的技术。即使是在今天，对于65nm技术而言，我们和我们的主要竞争对手之间并不存在太大不同。我们都采用铜引线材料、低K绝缘材料，以及十分相似的晶体管结构。所以我想公司之间的不同之处会越来越少，不同的解决方案会越来越少。不过不可避免的是，少数优胜者将会崭露头角。

　　摩尔定律与半导体路线图

　　记者：在ＩＴＲＳ（国际半导体技术路线图）最新公布的半导体工艺路线图中，从４５ｎｍ、３２ｎｍ、２２ｎｍ直到１６ｎｍ，线宽每３年更新一次，而且４５ｎｍ工艺是在２０１０年引入。为什么从引入的时间点和更新周期上都与英特尔以两年为周期的Ｔｉｃｋ－Ｔｏｃｋ策略有很大的差异？

　　马博：在1995年之前，英特尔和业内其他公司一样，每三年推出新一代制造技术。但在1995年，随着我们的0.35μｍ技术的推出，英特尔开始加快推出新技术的步伐。英特尔将两代技术之间的周期缩短到两年。并且我们将继续每两年推出新一代技术。其他一些公司曾和英特尔一样，实现了每两年推出新技术的步伐，不过后来似乎又放慢步伐，回到每三年一代的周期。ITRS的路线图反映了业界的某种共识，反映了其他公司的看法，但却不一定反映英特尔的看法。

　　记者：半导体线宽的升级周期由摩尔定律来决定，但升级的幅度是谁来决定的，比如说未来从４５ｎｍ升级到３２ｎｍ，为什么不是３５ｎｍ或者３０ｎｍ呢？

　　马博：我不得不率先承认，我们的45nm技术并非在任何维度上刚好都是45nm。在某些维度上尺寸更小，比如栅极的长度仅为35nm，而在其他维度上则可能大于45nm。不过似乎英特尔和业界其他公司针对每一代技术采用了一套通用的命名法，所以我们都用90nm、65nm以及目前的45nm来表示各代技术。尽管如此，并非所有的公司都采用这种名义尺寸。所以可以说，并非所有45nm都是相同的，某些公司的尺寸定义可能更为宽松。不过这套通用的命名法反映的是每一代大约比上一代减少0.7×的尺寸，只是常常选用整十或者整五的数字来近似地表示而已。

　　记者：我们能从ＩＴＲＳ公布的路线图看的最远的就是２０２２年的１１ｎｍ工艺。请问这是摩尔定律速度上的拐点，还是半导体工艺的极限？

　　马博：或许我们能预见到未来两代技术的情况，但如果再远一些，就很难断言何种技术是可以实现的。我希望今后几年内我们能预见到11nm一代以及之后的情形，但目前来说，如何才能实现11nm甚至更先进的技术还很不明朗。

　　来自极限的挑战

　　记者：你会如何回答“挑战与机会：未来五十年的半导体技术”这个问题？

　　马博：挑战之一是我们终将达到电子的尺度。问题是我们是否仍将采用基于电子的电路，还是采用非基于电子的器件，例如自旋电子学，这是摆在我们面前的一个主要问题。另一大挑战是，当芯片集成了数十亿个晶体管时，如何在功耗有限的情况下运行如此之多的晶体管。

　　记者：钱成不成问题？

　　马博：好的产品总能找到足够的资金。

　　记者：量子效应、光刻技术、电子级硅材料纯度、制造工艺一致性、超纯试剂等都应该是影响摩尔定律的因素。请问最终是哪个因素阻碍了半导体工艺的发展，还是说上述诸多因素综合影响的结果？

　　马博：我不认为任何个别因素会单独起制约作用。我认为是多种因素的结合将制约我们。

　　记者：哪个因素最重要？

　　马博：这很难说，因为我们目前还没有达到极限。许多尺寸因素在十年前被认为是极限，但事实证明，我们已绕过了这些“极限”。最近例子之一便是栅极氧化物，二氧化硅达到了极限，但我们却找到了替代物高ｋ材料。

　　记者：我们知道知识产权对半导体厂商至关重要。量子计算和生物计算与半导体技术相去甚远，那么，半导体产业投入巨大财力和智力积累的知识产权，岂不浪费了？

　　马博：半导体的知识产权本来就是有一定时效性的，专利最终会过期失效。我想半导体技术和其他替代技术之间的过渡期会延续许多年，所以我一点也不觉得投资于半导体知识产权是一种浪费。将来半导体技术可能得到其他技术的强化，或者作为其他技术的补充，但我相信，半导体技术将始终是计算解决方案的一部分。