英特尔：穷尽元素周期表之前，摩尔定律不会失效

“这次发布的信息都很具体，还有先进的数据指标支撑，彰显出我们技术迭代的步伐在加快，与产品的关联也很紧密。”7月27日，英特尔公司举行了“英特尔加速创新：制程工艺和封装技术线上发布会”，公布了其有史以来最详细的制程工艺和封装技术路线图，展示了一系列底层技术创新，而这些技术将不断驱动其从现在到2025年乃至更长远未来的新产品开发。谈及对此次发布会的感受，英特尔中国研究院院长宋继强向《中国科学报》记者如是表示。

作为半导体产业最重要的法则之一，摩尔定律还将在多长时间内有效？当天，英特尔公司CEO帕特·基辛格也给出了肯定的答案：“摩尔定律仍在持续生效。对于未来十年走向超越‘1纳米’节点的创新，英特尔有着一条清晰的路径。我想说，在穷尽元素周期表之前，摩尔定律都不会失效，英特尔将持续利用硅的神奇力量不断推进创新。”

全新的命名体系

1965 年，英特尔联合创始人戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，每隔18~24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。50多年来，该定律一直推动着半导体行业的发展。

然而，随着技术的不断演进，摩尔定律遭遇了严峻挑战，对于“后摩尔时代”的探讨也成为学术界和产业界热衷的话题。

摩尔定律的大旗还能抗多久？在此次发布会上，英特尔用从Intel 7、Intel 4 Intel 3到Intel 20A等重要制程节点的创新给予了回答，而其核心目标是每瓦性能的提升。

“对于未来半导体产品来说，PPA，即performance（性能）、power（功耗） 和 area（面积）是三个非常重要的指标，代表着产品的竞争力。如果把每瓦性能作为一个核心指标来看，我们几个制程节点的名称演进就是按照这样一个逻辑在向前推进的。”宋继强说。

目前业界在演绎制程工艺的进步时，通常以纳米为单位。然而，在英特尔看来，从1997年开始，基于纳米的传统制程节点命名方法，就不再与晶体管实际的栅极长度相对应。如今整个行业使用着各不相同的制程节点命名和编号方案，而这些多样的方案既不再指代任何具体的度量方法，也无法全面展现如何实现能效和性能的最佳平衡。“因此，这次我们为制程节点引入了全新的命名体系，创建了一个基于关键技术参数——包括性能、功耗和面积等的新命名体系，以帮助客户对整个行业的制程节点演进建立一个更加准确的认知。”宋继强说，从上一个节点到下一个节点命名的数字递减，反映了对这些关键参数改进的整体评估。

此外，他表示，随着行业越来越接近“1纳米”节点，英特尔改变命名方式，也是希望能更好地反映全新的创新时代。具体而言，在Intel 3之后的下一个节点被命名为Intel 20A，这一命名反映了向新时代的过渡，即工程师在原子水平上制造器件和材料的时代——半导体的埃米时代。

每年前进一小步

此前，英特尔的芯片技术发展战略被称为“Tick-Tock”模式，其内涵是工艺提升和微架构革新隔年交替进行。而从14纳米开始，这一周期被进一步拉长。不过，此次披露的制程技术路线图则显示出英特尔未来的步伐会加快。

据介绍，通过FinFET晶体管优化，Intel 7每瓦性能将比英特尔10纳米SuperFin提升约10%~ 15%，优化方面包括更高应变性能、更低电阻的材料、新型高密度蚀刻技术、流线型结构，以及更高的金属堆栈实现布线优化。其将应用于2021年推出的面向客户端的Alder Lake，以及预计将于2022年第一季度投产的面向数据中心的Sapphire Rapids。

而与Intel 7相比，Intel 4的每瓦性能将提高约20% 。此外，它还将是首个完全采用下一代极紫外光刻（EUV）技术的英特尔FinFET节点。Intel 4将于2022年下半年投产，2023年出货，产品包括面向客户端的Meteor Lake和面向数据中心的Granite Rapids。

较之Intel 4，Intel 3将在每瓦性能上实现约18%的提升，并在更多工序中增加EUV的使用。Intel 3将于2023年下半年开始生产相关产品。

英特尔高级副总裁兼技术开发总经理Ann Kelleher断言：“凭借RibbonFET和PowerVia两大开创性技术，Intel 20A将成为制程技术的另一个分水岭。”

宋继强介绍，PowerVia是业界首个背面电能传输网络，它可以消除晶圆正面的供电布线需求，优化信号布线，同时减少下垂和降低干扰。而RibbonFET是英特尔研发的Gate All Around晶体管，是公司自2011年率先推出FinFET以来的首个全新晶体管架构，可以提供更快的晶体管开关速度，同时以更小的占用空间实现与多鳍结构相同的驱动电流。Intel 20A预计将在2024年推出。

宋继强还向记者透露，2025年以后，还将有Intel 18A问世。届时，RibbonFET技术将进一步得到提升。

基于上述技术演进计划，帕特·基辛格颇有信心地宣布，“我们正在加快制程工艺创新的路线图，以确保到 2025 年制程性能再度领先业界”。

日益重要的封装

今年3月23日，帕特·基辛格通过全球直播的方式，公布了英特尔IDM 2.0战略的愿景，即通过制造、设计和交付领先产品，为合作伙伴创造长期价值。英特尔同时宣布了生产制造扩张计划——在美国亚利桑那州投资约200亿美元新建两座晶圆厂。此外，该公司计划成为代工厂商，面向全球客户提供服务。

随着IDM 2.0战略的实施，封装对于实现摩尔定律变得更加重要。此次发布会上，英特尔对先进封装路线图提出了如下计划。

Sapphire Rapids将成为采用EMIB（嵌入式多芯片互连桥接）批量出货的首个英特尔至强数据中心产品。它也将是业界首个提供几乎与单片设计相同性能的，但整合了两个光罩尺寸的器件。继Sapphire Rapids之后，下一代EMIB的凸点间距将从55微米缩短至45微米。

此外，Foveros将利用晶圆级封装能力，提供史上首个3D堆叠解决方案。Meteor Lake是在客户端产品中实现Foveros技术的第二代部署。该产品将具有36微米的凸点间距，不同晶片可基于多个制程节点，热设计功率范围为5-125瓦。

而Foveros Omni则将开创下一代Foveros技术，通过高性能3D堆叠技术为裸片到裸片的互连和模块化设计提供更多的灵活性。Foveros Omni允许裸片分解，将基于不同晶圆制程节点的多个顶片与多个基片混合搭配，预计将于2023年用到量产的产品中。

Foveros Direct则会实现向直接铜对铜键合的转变。它可以实现低电阻互连，并使得从晶圆制成到封装开始，两者之间的界限不再那么截然分明。Foveros Direct将实现10微米以下的凸点间距，使3D堆叠的互连密度提高一个数量级，为功能性裸片分区提出新的概念。“这在以前是无法实现的。”宋继强说，Foveros Direct是对Foveros Omni的补充，预计也将于2023年用到量产的产品中。

宋继强强调，虽然英特尔在沿着制程和封装两个方向不断突破，但这些技术在产品开发中是可以混合搭配使用的。“我们希望越早把这些技术应用到给客户的产品当中越好，可能在2023年我们就会把一些技术混合在一些客户的产品当中做试验了。”