芯片工艺竞争不断升级 极限在哪里？

2016年12月7日，采用三星10nm工艺制造的高通骁龙835跑分遭到曝光。8日，采用台积电10nm工艺制造的华为麒麟970也遭到媒体曝光。此前，英特尔宣称，将于2017年发布采用自家10nm工艺制造的移动芯片。

几个月前，GlobalFoundries宣布将会推进7nm FinFET工艺。三星也购买了ASML的NXE3400光刻机，为生产7nm芯片作准备，并计划在2018年上半年实现量产。近日，台积电又声称，将在2017年初开始7nm的设计定案，并在2018年初量产，对5nm、3nm和2nm工艺的相关投资工作也已开始。

从14nm到10nm，从10nm到7nm，还有所谓的5nm、3nm和2nm，芯片工艺的竞争程度不断升级。那么，芯片界的这场“战争”会结束吗？芯片工艺的未来又在哪里呢？

现阶段的芯片工艺技术上，近年来除了FinFIT技术外，三星、英特尔等芯片厂商纷纷投入到FD-SOI（全耗尽绝缘体硅）工艺、硅光子技术、3D堆叠技术等的研究中，以求突破FinFET的制造极限，拥有更多的主动权。各种新技术中，犹以3D堆叠技术为研究重点。

3D堆叠技术通过在存储层上叠加逻辑层，将芯片的结构由平面型升级成立体型，大大缩短互连线长度，使得数据传输更快，所受干扰更小。

目前，这样的3D技术在理论层面已有较大进展，并在实践中得到初步应用。2013年，三星推出了3D圆柱形电荷捕获型栅极存储单元结构技术，垂直堆叠可达24层。同年，台积电与Cadence合作开发出了3D-IC的参考流程。2015年，英特尔和美光合作推出了3D XPoint技术，使用该技术的存储芯片目前已经量产。

材料上，目前制造芯片的原材料以硅为主。不过，硅的物理特性限制了芯片的发展空间，正在逐渐被弃用。

2015年，IBM及合作伙伴三星、GlobalFoundries展示7nm工艺芯片时，使用的是硅锗材料。使用这种材料的晶体管开关速度更快，功耗更低，而且密度更高，可以轻松实现200亿晶体管，晶体管密度比目前的硅基半导体高出一个量级。2015年4月，英特尔也宣布，在达到7nm工艺之后将不再使用硅材料。

III-V族化合物、石墨烯等新材料为突破硅基芯片的瓶颈提供了可能，成为众多芯片企业研究的焦点，尤其是石墨烯。

相比硅基芯片，石墨烯芯片拥有极高的载流子速度、优异的等比缩小特性等优势。IBM表示，石墨烯中的电子迁移速度是硅材料的10倍，石墨烯芯片的主频在理论上可达300GHz，而散热量和功耗却远低于硅基芯片。麻省理工学院的研究发现，石墨烯可使芯片的运行速率提升百万倍。

并且，随着制作工艺已逐渐成熟，石墨烯原本高昂的成本开始呈下降趋势。2011年底，宁波墨西科技建成年产300吨的石墨烯生产线，每克石墨烯销售价格只要1元。2016年4月，华讯方舟做出了石墨烯太赫兹芯片。

芯片工艺的发展和影响*摩尔定律

说到芯片的发展，就不得不提先一下主宰半导体发展的摩尔定律。

1965年，仙童半导体公司的工程师戈登·摩尔撰文指出，半导体电路集成的晶体管数量将每年增加一倍，性能提升一倍；之后又修正为每两年增加一倍，这就是著名的摩尔定律。

半导体工业的发展已经符合摩尔定律超过半世纪了，虽然近几年有放缓迹象，但是摩尔定律依然会持续下去。

（Intel对半导体工艺的进展预期）

1971年，Intel发布了第一个处理器4004，它采用10微米工艺生产，仅包含2300多个晶体管。

1995年起，芯片制造工艺从0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm，发展到90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、14nm，再到目前最新的10nm。