英特尔公布尖端技术尝试延续摩尔定律，能否逆袭台积电？

　　

记者 | 彭新

如何延续芯片行业的摩尔定律，一直是半导体公司所关注的焦点。
在12月11日至15日举行的2021 IEEE国际电子器件会议（IEDM）期间，芯片巨头英特尔公布多项尖端半导体开发前沿技术以推动摩尔定律，称将在芯片封装、功率器件和内存材料、尖端物理学三大领域进行创新。
“目标是封装中将密度提升10倍以上，将逻辑微缩提升30%至50%，并布局非硅基半导体。”英特尔方面表示。
此前尖端半导体开发竞争的核心是芯片制程大小。所谓制程，指的是芯片中晶体管线宽的大小，制程越小，单个芯片上就能容纳越多的电路元件，芯片的性能越强、功耗越低。目前芯片制程的领先产品为台积电和三星量产的5纳米芯片，两家企业计划在2025年启动2纳米芯片的量产。美国IBM于5月宣布已成功进行2纳米芯片的试制。
在先进制程竞争中掉队的英特尔也在加快推进研发，以期追上竞争对手。但有观点认为，晶体管数目大约每18个月便会增加一倍的“摩尔定律”目前已接近物理极限，且难以覆盖成本。这无疑加大了英特尔追赶的难度。
英特尔要维持市场地位超越台积电，拓展新思路成为关键，从芯片制造角度来看，将芯片叠加起来的3D堆叠技术的重要性日趋增加。此前在设计上，英特尔将芯片分别负责功率、计算和存储的部分以平面形式排列，但新技术尝试以拼乐高积木的形式，将芯片以立体形式堆叠，通过先进封装技术将晶体管制作为芯粒（Chiplet）。
Chiplet近年成为芯片行业的关键词。传统系统单芯片的做法是每一个组件放在单一裸晶（Die）上，功能越多，硅芯片尺寸越大。Chiplet的特点是将大尺寸的多核心设计分散到个别微小裸芯片，如处理器、模拟组件、储存器等，再用立体堆栈的方式，以封装技术做成一颗芯片。
英特尔称，其新的3D堆叠、多芯片封装技术Foveros Direct可以让上下芯片之间的连接点密度提升10倍，而且每个连接点的间距小于10微米。新的封装方式在空间上提高芯片的晶体管密度，能在不缩小制程的情况下，将晶体管密度提升30%至50%，使摩尔定律重新生效。可以说，英特尔研发团队本次发表的研究成果中，最大的科技进步也是晶体管堆叠技术。
芯片封装技术以外，英特尔还将目光转向供应和控制电力的“功率半导体”和内存材料，试图探索芯片在硅以外的新方案。据英特尔介绍，通过在300毫米的晶圆上首次集成氮化镓基（GaN-based）功率器件与硅基CMOS，实现了更高效的电源技术。这为CPU提供低损耗、高速电能传输创造了条件，同时也减少了主板组件和空间。
英特尔的另一项芯片研究技术成果也依赖于材料进步：利用铁电材料性质的“铁电存储器（FeRAM）”迎来新进展，有望成为手机、电脑内存中常用的DRAM存储器下一代产品的关键材料。
FeRAM的特点是断电后不会丢失信息，耐用性增强。由于可在保存数据（运算到一半的数据等）的情况下切断电源，与现有存储芯片领域常用的DRAM和SRAM存储器相比，可大幅降低耗电量。而且FeRAM也可实现以纳秒（十亿分之一秒）为单位、与DRAM同等的高速运行。
此前受限于所用铁电物质特性的限制，该材料应用只局限于细分市场，但英特尔发布的成果显示，其记录了FeRAM材料高达2纳秒的极短访问时间和10亿次循环范围内的极高写电阻（耐用性），意味着FeRAM有望作为下一代嵌入式DRAM技术的可行方案。
在量子计算等尖端物理学领域，英特尔一方面基于尝试提升硅基半导体的量子计算性能，同时也在开发能在室温下进行高效、低功耗计算的新型器件。
该公司称，正探索物理学领域的新概念以推动半导体技术，进展包括首例常温磁电自旋轨道（MESO）逻辑器件，自旋电子器件以及芯片封装、功率器件和内存等。其中英特尔与比利时微电子研究中心（IMEC）在自旋电子材料研究方面的合作，利用电子自旋原理进行信息的传递、处理与存储，有望实现逻辑芯片和存储器功能的整合。
强化晶圆制造能力和追求先进工艺的路线，均需要坚实技术能力作为支撑，而这一次该公司技术团队推出了一系列“技术性武器”，或将帮助英特尔在2025年后追上主要竞争对手保持竞争能力。
此前，英特尔的新业务进展遇阻，传统业务也遭到打击。作为集芯片设计和生产为一体的IDM厂商，英特尔的先进工艺开发明显落后于对手台积电和三星。在基辛格（Pat Gelsinger）于今年初担任英特尔首席执行官之后，推出一系列在2025年重新赢得优势地位的商业发展规划。在战略上，基辛格强化了竞逐先进工艺节点的方向，并采取了对外开放晶圆代工产能、调整工艺节点命名方式等举措。此外，英特尔还在6月对组织架构进行了调整，新增两名技术背景的高管。

---