推动摩尔定律超越2025，英特尔展示封装、晶体管和量子物理学关键技术突破

12月12日消息，在2021 IEEE国际电子器件会议（IEDM）上，英特尔公布了其在不懈推进摩尔定律的过程中，在封装、晶体管和量子物理学方面的关键技术突破：即通过混合键合（hybrid bonding）将在封装中的互连密度提升10倍以上，晶体管微缩面积提升30%至50%；在全新的功率器件和内存技术上已取得重大突破；基于物理学新概念所衍生的新技术，在未来可能会重新定义计算。

▲ 英特尔公布的三大技术突破

英特尔在IEDM 2021上披露的突破性进展表明，其正通过对以下三个领域的探索，持续推进摩尔定律，并努力将其延续至2025年及更远的未来。

一、通过Foveros Direct、RibbonFET及新材料的引入，持续提升晶体管密度

在今年7月的“英特尔加速创新：制程工艺和封装技术线上发布会”中，英特尔就曾宣布计划推出Foveros Direct，以实现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。

具体来说，这项技术应用于多种芯片混合封装的场景，可以将不同功能、不同制程的芯片以相邻或者层叠的方式结合在一起。Foveros Direct 技术使得上下芯片之间的凸点（连接点）密度提升了 10 倍，每个凸点的间距小于 10 微米。

这项技术支持将 CPU、GPU、IO 芯片紧密结合在一起，同时还兼容来自在不同厂商的芯片混合进行封装。

官方表示，该方案有较高的灵活性，支持客户依据不同的需求灵活定制芯片组合。为了使生态系统能从先进封装中获益，英特尔还呼吁建立新的行业标准和测试程序，便于不同芯片之间的互联。让混合键合芯粒（hybrid bonding chiplet）生态系统成为可能。

英特尔在今年7月还展示了新型晶体管架构GAA RibbonFET（Gate-All-Around RibbonFET），作为 FinFET 的替代。全新的封装方式可以将 NMOS 和 PMOS 堆叠在一起，紧密互联，从而在空间上提高芯片的晶体管密度。这种方式能在制程不便的情况下，将晶体管密度提升 30% 至 50%，延续摩尔定律。

此外，英特尔还表示可以将二维材料引入芯片的制造中，可以使得连接距离更短，解决传统硅芯片的物理限制。这种二维材料为单层二硫化钼 MoS2，应用于硅芯片连接层可以使得间距从 15nm 缩小至 5nm。

英特尔同时也在为摩尔定律进入埃米时代铺平道路，其前瞻性的研究展示了英特尔是如何克服传统硅通道限制，用仅有数个原子厚度的新型材料制造晶体管，从而实现在每个芯片上增加数百万晶体管数量。在接下来的十年，实现更强大的计算。

二、更高效的电源技术和FeRAM 技术

目前英特尔已经首次实现在 300 毫米硅晶圆上，制造氮化镓基（GaN-based）功率器件与硅基CMOS。这项电源技术支持更高的电压，使得电源管理芯片可以更加精准快速地控制 CPU 的电压，有助于减少损耗，同时还能够减少主板上的供电元件，以节省主板上的空间。

另一项进展是利用新型铁电体材料作为下一代嵌入式DRAM技术的可行方案。该项业界领先技术可提供更大内存资源和低时延读写能力，用于解决从游戏到人工智能等计算应用所面临的日益复杂的问题。

△上图右侧展现的是英特尔研发的低延迟内存技术：FeRAM。这种芯片将铁元素引入芯片的制造，可以大大提高内存芯片的读写速度，在 2 纳秒内完成读写。同时，FeRAM 技术能够提高内存芯片的密度。

三、全新磁电自旋轨道（MESO）逻辑器件有望取代传统MOSFET晶体管

随着未来晶体管密度进一步提升，传统的硅芯片将走向物理极限。在 IEDM 2021 大会，英特尔展示了世界上第一个在室温下实现磁电自旋轨道（MESO）的逻辑器件。这表明未来有可能基于纳米尺度的磁体器件制造出新型晶体管。

英特尔和比利时微电子研究中心（IMEC）在自旋电子材料研究方面取得进展，使器件集成研究接近实现自旋电子器件的全面实用化。

英特尔还展示了完整的300毫米量子比特制程工艺流程。该量子计算工艺不仅可持续微缩，且与CMOS制造兼容，这确定了未来研究的方向。

英特尔高级院士兼组件研究部门总经理Robert Chau表示：“在英特尔，为持续推进摩尔定律而进行的研究和创新从未止步。英特尔的组件研究团队在IEDM 2021上分享了关键的研究突破，这些突破将带来革命性的制程工艺和封装技术，以满足行业和社会对强大计算的无限需求。这是我们最优秀的科学家和工程师们不懈努力的结果，他们将继续站在技术创新的最前沿，不断延续摩尔定律。”

关于英特尔组件研究部门：英特尔组件研究部门是英特尔技术研发部门中的研究团队，负责提供革命性的制程工艺和封装技术方案，以推进摩尔定律并实现英特尔的产品和服务。英特尔组件研究团队与公司的业务部门建立了内部合作关系，以预测未来需求。同时，该团队也与外部建立合作关系，包括政府机构研究实验室、行业协会、大学研究团体及各类供应商，以保持英特尔研究和开发渠道的完整性。

英特尔的组件研究团队致力于在三个关键领域进行创新：第一，为提供更多晶体管的核心微缩技术；第二，在功率器件和内存增益领域提升硅基半导体性能；第三，探索物理学新概念，以重新定义计算。众多突破摩尔定律昔日壁垒并出现在当前产品中的创新技术，都源自于组件研究团队的研究工作，包括应变硅、高K-金属栅极技术、FinFET晶体管、RibbonFET，以及包括EMIB和Foveros Direct在内的封装技术创新。

编辑：芯智讯-浪客剑