从1.4纳米芯片制造工艺谈英特尔眼里的芯片未来

北京时间2月22日，英特尔CEO帕特·基辛格在美国圣何塞举行的Intel Foundry Direct Connect大会上发布了最新代工进展，包括全新制程技术路线图以及新的客户和生态伙伴合作，并表达了其在2030年成为全球第二大代工厂的愿景。

在现场发布的最新制程路线图中，英特尔首次公布了14A（1.4nm）以及其演进版本14A-E。英特尔预计在2027年前开发出14A，并将在该制程节点上首次采用高数值孔径光刻机。

会上还公布了Intel3、Intel 18A及Intel 14A技术的演进版本。据介绍，Intel 3-T技术已利用硅通孔技术对3D先进封装设计进行了精细化的改良，并计划不久后投入大规模生产。

此外，英特尔还着重展示了在成熟制程节点上所取得的突破，例如，今年1月份宣布与UMC共同研发的全新12纳米节点技术。

帕特·基辛格同时介绍了代工模式的最新进展。为满足AI时代对算力的需求，英特尔首推面向AI时代的系统级代工（Intel Foundry）。该模式是将英特尔公司分为两大部分，一是负责产品设计的Intel Product，二是负责代工制造的Intel Foundry。二者虽仍属于同一家公司，但又相对独立，即Intel Foundry的财务会进行单独核算。英特尔表示，该模式能够让英特尔向内部和外部客户提供平等的代工服务。

最后，帕特·基辛格表示，英特尔在其18A制程节点上迎来了新的客户和生态合作伙伴。微软将在其设计的一款芯片中采用Intel 18A制程节点。

此外，在18A制程节点上，英特尔还迎来了生态系统合作伙伴，Synopsys、Cadence、Siemens和Ansys等均确认其工具、设计流程和IP组合已完成针对英特尔先进封装和18A制程技术的验证，可帮助代工客户加速基于业界首推背面供电方案的Intel 18A制程节点的先进芯片设计。

那么，从英特尔的角度来看，芯片的未来是怎样的？下面一文来深入解析。

一年一度的国际电子器件会议上，英特尔公司的 Matthew Metz 发表的题为《摩尔定律延续的新材料系统》的演讲。从本质上讲，这是对硅耗尽后的一些可能性的探讨。

Matthew首先介绍了晶体管如何改变世界，特别是数十年来推动英特尔自己的工艺路线图的材料创新。回到 90nm，我们使用了应变硅，然后是 HiK 金属栅极。英特尔是第一个将 FinFET 推向市场的公司（尽管当时它称之为 TriGate）。Intel 4 上首次引入了 EUV 光刻技术。

正如你可能知道的，英特尔正在4年内进行5种工艺的技术开发，这显然是激进的，但显然一切仍在正轨上。Intel 20A 将是第一个采用环栅 (GAA) 的工艺，Intel 称之为ribbonFET。英特尔也有一个积极的先进封装路线图，但我将跳过它，因为谈话的重点是我们未来将在晶圆上放置什么，而不是我们如何将它们组合在一起。

英特尔并不是唯一一家致力于全栅极的公司。在过去的几年里，在 IEDM 等会议上，所有主要制造商和研究组织都发布了某种版本的纳米片全栅结果。请参阅上面的图。

计划的下一个重大创新是互补 FET 或 CFET，其中 n 晶体管优于 p 晶体管。事实上，这几乎是今年 IEDM 的主题，许多人宣布了 CFET 制造方面的各种创新，以获得 1.5 倍到 2 倍的面积缩放。

英特尔（与其他所有人一起）追求的另一项创新是背面供电网络（背面 PDN）以及英特尔所谓的 PowerVia。这些技术允许信号和电源分离，并且不再像历史上那样相互干扰，当时所有互连都位于正面（嗯，直到最近是唯一的一面）。

最大的挑战是电源墙。每平方厘米的冷却功率要达到100W以上是非常困难的。关于如何改进有多种可能性：

传统 MOSFET 增强功能

应变硅锗 (SiGe) 纳米带

Ge 或 InGaAs 纳米带

隧道 FET

Dirac FET（石墨烯和 2D）

负电容NCFET

使用 FerroTunnel Junction 或 FerroFET 进行内存计算

制作 2D 材料而不是坚持使用 3D 有很多吸引力。但寻找好的材料面临着重大挑战。我相信您听说过碳纳米管 (CNT)，但尽管碳纳米管很有吸引力，但十年来在可靠制造这些材料方面并没有取得真正的进展。石墨烯是二维的，但没有带隙，这使得构建开关成为一项挑战。磷烯在高温下会挥发，因此不可能制造完整的晶体管。

最有吸引力的解决方案似乎是开发过渡金属二硫属化物或TMD。我承认这是我第一次听说这些，至少是用这个名字。它是使用二维材料的最有前途的方法之一。TMD 是单个单层，可提供良好的栅极控制，从而降低功耗。它们具有比硅更好的迁移率，因此性能良好。此外，大的带隙限制了源极-漏极隧道效应。

Matthew 详细介绍了制造 TMD 2 层晶体管（特别是生长 2D 单层晶体管）的挑战和前景，以及如何接触它们。对于 n 晶体管的成分来说，最具吸引力的材料似乎是锑 (Sb) 和铋 (Bi)。对于 p 晶体管，钌 (Ru)。

最后一部分着眼于降低功耗要求和先进开关，特别是磁电自旋轨道（MESO）器件。开关可以在 0.1V 左右完成，并相应降低功耗。

Matthew 的结论是，英特尔与 TMD 正在进行的工作显示了持续 CMOS 扩展的前景，而 MESO 设备有望大幅降低功耗。但这是相对早期的研究，要使这些技术成为现实，还有很多工作要做。

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