衡量半导体工艺进步的最好方法（上）
技术领域最著名的就是摩尔定律 。 55多年来 ， 这个“定律”一直在描述和预测晶体管的微缩规律 ， 即约每隔18-24个月便会增加一倍 ， 性能也将提升一倍 。 换言之 ， 每一美元所能买到的电脑性能 ， 将每隔18-24个月翻一倍以上 。 这一定律揭示了信息技术进步的速度。 就像一些基于物理原理的末日时钟一样 ， 随着工程师们设法定期将晶体管数量增加一倍 ， 节点的数量在过去几十年里不断下降 。
当Gordon Moore第一次指出以他的名字命名的趋势时 ， 还没有节点这种东西 ， 一块IC上撑死也就经济地集成只有大约50个晶体管 。
但是经过几十年的努力和数千亿美元的投资 ， 看看我们已经走了多远!如果你使用的是一款高端智能手机 ， 那么它内部的处理器使用的技术应该是7纳米节点 。 这意味着在一平方毫米的硅中有大约1亿个晶体管 。 在5nm节点上制造的处理器现在已经开始生产 ， 科技巨头们期望在十年内研发1纳米节点 。
然后呢?
想想看1纳米还不到5个硅原子的宽度 。 因此 ， 你有理由认为 ， 摩尔定律很快就会消失 ， 半导体制造技术的进步也不会带来处理能力的进一步飞跃 ， 而固态器件工程将是一条死胡同 。
但你错了…
半导体技术节点系统描绘的画面误导了你 。 事实上 ， 7纳米晶体管的大多数关键特性实际上要比7纳米大得多 ， 而且这种命名法和物理现实之间的脱节已经持续了大约20年 。 当然 ， 这不是什么秘密 ， 但它确实会带来一些非常不幸的后果 。
首先 ， 对“节点”的持续关注掩盖了这样一个事实——即使在CMOS晶体管的几何形状不再被压缩后 ， 半导体技术仍将以切实可行的方式继续推动计算的发展 。 另一个原因是 ， 对半导体发展的持续的以节点为中心的观点不能像过去那样为行业指明前进的方向 。 最后 ， 让人恼火的是 ， 如此多的股票被投入到一个根本毫无意义的数字中 。
为了找到更好的方式来标志该行业里程碑 ， 以便产生更好的替代品 。 但是 ， 在一个竞争激烈的行业 ， 专家们会拧成一股绳支持其中一个吗?但愿如此 ， 这样我们就能再次有一种有效的方式来衡量这个世界上最大、最重要和最具前景的行业的进步情况了 。
那么 ， 我们是如何到达这样一个境界的呢?在过去的几百年里 ， 可以说是最重要的技术的进步似乎有一个自然的终点 。 自1971年英特尔4004微处理器发布以来 ， MOS晶体管的线性尺寸缩小了大约1000倍 ， 而单片芯片上的晶体管数量增加了大约1500万倍 。 用来衡量集成密度这一显著进步的指标主要是称为晶体管半节距(half-pitch)或栅极长度(gate length) 。 幸运的是 ， 在很长一段时间里 ， 他们的数量几乎相同 。
晶体管半节距（half-pitch）是指芯片内部互联线间距离的一半 ， 也即光刻间距的一半 。 在二维晶体管或“平面”晶体管设计中 ， 栅极长度测量晶体管的源极和漏极之间的空间 。 在这个空间里有控制源极和漏极之间电子流动的器件的栅极堆栈 。 它是决定晶体管性能的最重要的尺寸 ， 因为较短的闸极长度意味着更快的开关设备 。
在栅极长度和晶体管半节距大致相等的时代 ， 它们成为芯片制造技术的标志性特征 ， 我们称为节点数 。 每一代芯片上的这些功能通常会缩小30% 。 这样的缩小会使晶体管密度增加一倍 ， 想想看 ， 将矩形的x和y尺寸减小30%就意味着面积减半 。
在20世纪70和80年代 ， 闸极长度和晶体管半节距一直发挥着它的作用 ， 但在90年代中期 ， 这两个功能开始分离 。 为了继续在速度和设备效率方面取得突破性进展 ， 芯片制造商比该设备的其他特性更积极地缩小了闸极长度 。 例如 ， 使用所谓的130纳米节点制造的晶体管实际上有70纳米的栅极 。 其结果是摩尔定律密度倍增途径的延续 ， 但闸极长度会不成比例地缩小 。 然而 ， 在很大程度上 ， 工业仍然坚持以旧的节点命名 。
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