盡管英特爾、三星、臺(tái)積電等公司靠著各種技術(shù)手段及營(yíng)銷宣傳將CPU邏輯工藝一路推到了5nm節(jié)點(diǎn)，明年還要進(jìn)入3nm節(jié)點(diǎn)，但是再往后還是會(huì)面臨更大的挑戰(zhàn)，特別是在1nm之后，量子隧穿效應(yīng)有可能會(huì)讓半導(dǎo)體失效。az7esmc

在日前的FUTURE SUMMITS 2022大會(huì)上，IMEC（比利時(shí)微電子中心）展示了最新的路線圖，一路看到了2036年的0.2nm工藝。az7esmc

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，今年試產(chǎn)N3工藝之后，2024年會(huì)有2nm工藝，2026年則是A14工藝——A代表的是埃米，是納米之后的尺度，A14工藝可以理解為1.4nm工藝，英特爾之前提出的A20、A18工藝就相當(dāng)于2nm、1.8nm工藝。az7esmc

臺(tái)積電在3nm工藝完成研發(fā)之后會(huì)把團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向未來(lái)的1.4nm工藝研發(fā)，預(yù)計(jì)今年6月份啟動(dòng)。az7esmc

接著看路線圖，IMEC預(yù)計(jì)在2028年實(shí)現(xiàn)A10工藝，也就是1nm節(jié)點(diǎn)了，2030年是A7工藝，之后分別是A5、A3、A2工藝，2036年的A2大概相當(dāng)于0.2nm節(jié)點(diǎn)了。az7esmc

IMEC的路線圖基本上還是按照摩爾定律2年升級(jí)一代的水平發(fā)展的，證明了未來(lái)芯片工藝還可以迭代下去。az7esmc

不過(guò)也要看到，真正決定工藝密度的MP金屬柵極距指標(biāo)變化沒(méi)有工藝數(shù)字那么大，甚至A7到A2工藝都是在16-12nm之間，密度可能沒(méi)什么提升。az7esmc

與此同時(shí)，實(shí)現(xiàn)1nm及以下工藝，晶體管架構(gòu)也要改變，我們知道臺(tái)積電及三星會(huì)在3nm或者2nm節(jié)點(diǎn)放棄FinFET轉(zhuǎn)向GAA結(jié)構(gòu)，而在A5之后還要再轉(zhuǎn)向CFET晶體管結(jié)構(gòu)。az7esmc

其他的技術(shù)升級(jí)還有很多，包括布線、光刻機(jī)等等，需要一系列技術(shù)突破才有可能實(shí)現(xiàn)。az7esmc

新材料工藝為將來(lái)的先進(jìn)制程鋪路

最近，悉尼新南威爾士大學(xué)材料與制造期貨研究所（MMFI）的研究人員使用獨(dú)立式單晶鈦酸鍶（STO）膜制造了一系列透明場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其性能與當(dāng)前的硅半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管相當(dāng)。az7esmc

“我們的工作使硅半導(dǎo)體電子無(wú)法做到的事情成為可能，”MMFI的主任兼首席研究員Sean Li教授說(shuō)。az7esmc

“它不僅為克服當(dāng)前硅半導(dǎo)體行業(yè)在小型化方面的基本限制鋪平了一條關(guān)鍵道路，而且還填補(bǔ)了由于硅的不透明和剛性而在半導(dǎo)體應(yīng)用中的空白。”az7esmc

上周發(fā)表在《自然》雜志上的這篇論文展示了大規(guī)模制造2D場(chǎng)效應(yīng)晶體管的潛力，克服了納米級(jí)硅半導(dǎo)體生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，并提供了可靠的電容和有效的開(kāi)關(guān)操作。az7esmc

“這項(xiàng)工作的關(guān)鍵創(chuàng)新是，我們將傳統(tǒng)的3D散裝材料轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)2D形式，而不會(huì)降低其性能——這意味著它可以像樂(lè)高積木一樣與其他材料自由組裝，為各種新興和未被發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用創(chuàng)建高性能晶體管，”主要作者Jing-Kai Huang博士說(shuō)。az7esmc

“同時(shí)，彈性和纖薄的特性使柔性和透明的2D電子產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)。”az7esmc

幾十年來(lái)，剛性硅基技術(shù)一直無(wú)處不在，但這些新型晶體管帶來(lái)了從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和柔性顯示器到新一代可穿戴設(shè)備的各種應(yīng)用，當(dāng)然還有納米電子、通信、健康等領(lǐng)域尚未被發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用。az7esmc

打破瓶頸

晶體管是一種用作開(kāi)關(guān)或放大器的小型半導(dǎo)體器件。從手電筒到助聽(tīng)器再到超級(jí)計(jì)算機(jī)，所有電子設(shè)備都是通過(guò)晶體管，電阻器和電容器的各種排列和相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。az7esmc

例如，最新的Apple MacBook由微處理器供電，該微處理器包括每毫米見(jiàn)方超過(guò)100億個(gè)晶體管，單個(gè)晶體管的尺寸在20納米以下。az7esmc

隨著時(shí)間的推移，制程工藝微縮得越來(lái)越小，性能越來(lái)越強(qiáng)大。“隨著這種微電子小型化的發(fā)生，目前使用的材料由于信號(hào)從一個(gè)晶體管傳遞到下一個(gè)晶體管時(shí)的能量損失和耗散而達(dá)到極限，”李教授說(shuō)。az7esmc

“有了這樣的限制，人們已經(jīng)有了巨大的動(dòng)力來(lái)從根本上創(chuàng)新新材料和技術(shù)，以滿足全球微電子市場(chǎng)永不滿足的需求。”az7esmc

“我們現(xiàn)在正朝著晶圓規(guī)模生產(chǎn)的方向努力。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將使我們能夠制造出密度更接近商業(yè)產(chǎn)品的更復(fù)雜的電路。這是使我們的技術(shù)惠及人們的關(guān)鍵一步，“黃博士說(shuō)。az7esmc

“第一個(gè)項(xiàng)目是制造獨(dú)立的STO并研究其電氣特性。隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，它演變成使用獨(dú)立式STO制造2D晶體管。在MMFI建立的平臺(tái)的幫助下，我們能夠共同努力完成該項(xiàng)目。”az7esmc

目前，這項(xiàng)突破性技術(shù)受到兩項(xiàng)澳大利亞臨時(shí)專利申請(qǐng)的保護(hù)，MMFI和新南威爾士大學(xué)正在尋求將知識(shí)產(chǎn)權(quán)商業(yè)化。az7esmc