盘点摩尔定律的里程碑-电子工程世界

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随着赌注的不断提高，半导体专家艰难地保持着摩尔定律的发展速度。

摩尔定律已经在工业史上保持了伟大的连胜记录，在这里我们将回顾其发展过程中几个重要的里程碑、突破点和保证长达半个世纪高速前进的转折点。

图片来源：TI

1958年9月

Jack St. Clair Kilby成功测试了世界上第一个集成电路板。德州仪器实验室首次把晶体管振荡器安装在一个锗芯片上。

图片来源：仙童半导体

1959年3月

仙童半导体（Fairchild Semiconductor）的Jean Hoerni展示了其平面工艺技术，即生产适合芯片领域应用的性能可靠的平面晶体管。

摩尔受平面工艺的启发，在《Electronics 》杂志上曾经写到“从1959年第一代平面晶体管问世后，我开始从现有数据中搜集资料。”

以Hoerni的发明为基础，其在仙童公司的同事Robert Noyce设计并证明了基于Hoerni的平面工艺生产集成电路的可行性。

在1959年8月，Noyce推荐Jay Last成为仙童公司平面集成电路团队的负责人。其团队在1960年5月成功开发出第一代集成电路，但随后，其专利在六七十年代陷入不断纠纷和争论当中，技术委员会决定Kilby和Noyce分别成为集成电路的发明者。

图片来源：Intel

1965年4月

摩尔在《Electronics 》杂志上刊登了其著名的文章。他在文章中预言在低成本的集成电路中，其元件密度每年都会提高一倍。

不久后摩尔明确了“元件”具体包含“晶体管、电阻、二极管或者电容”这个概念。

其在1965年发表的文章，同样继承了像德州仪器公司的Jack Kilby和仙童公司的Bob Noyce等集成电路先驱们的精神。

图片来源：IBM

1966年秋

IBM研究员Robert H. Dennard听到一个关于提高磁芯存储器性能的报告。当晚，他在家中的沙发上思考：“我能做些什么确实简单的事情呢？”

考虑到MOS技术，他意识到电容上的积累电荷可以表达出一定的信息，而晶体管则可以控制电荷的书写过程。

他马上利用单独晶体管/单独电容(1T/1C)的动态RAM，并最终产生了一个全新的工业领域。

图片来源：Intel

1970年4月

工程师们开始设计世界上首个多用途可编程微处理器Intel 4004，这需要使用便携式计算器行业中更多的集成电路。其过程促进了Intel、Mostek、TI等公司开发出新的可计算集成电路。

提供给日本计算器生产商Nippon的Intel 4004，运行速度能达到108 kHz，拥有2250个晶体管，它创造性的在2英寸镜片上运用了10微米技术。

图片来源：Applied Materials

1972年6月

半导体生产商开始研究不同的掺杂法技术。通过掺杂法，元素的原子被动地进入半导体晶体，从而改变其电子特性。

一种名为 ion implantation的新掺杂技术，包含硼、磷和砷等类似的高能掺杂离子。而原来的全面扩散法，则用在加工玻璃和高炉上。

1973年

Perkin-Elmer的Micralign预测扫描技术问世。它的出现使光刻工艺从接触印刷发展到光学投影。

Micralign系统利用透镜将图像以1:1的比例投影在晶片上，并在掩膜上投射出一幅图片。而掩膜是一种近似于使芯片分层的模版。

随后5年，预测扫描技术被可以不间断地把掩膜图像逐次反映在晶片上的光刻技术取代。

Nikon的NSR-1010i3光刻机采用365 nm波长，并使用光刻胶光源，它在1984年首次投入使用。第一个深紫外光（DUV）光刻机，是GCA公司采用248 nm光源制造的。其在掩膜上投影的图像要比晶片上的图片大得多，同时它也开创了缩印技术的先河。

摩尔在1995年曾说，“从接触印刷到光学投影的飞跃”是工业界早期的重大突破。

图片来源：Applied Materials

1974年3月

美国和日本的芯片制造商开始引进使用等离子体的“干燥”法来蚀刻晶片，与使用化学技术的湿法相比，“干燥”法要先进很多。

其蚀刻技术，同样伴随着之前的沉淀过程，并成为晶体管制造领域的核心技术。干蚀刻法的出现有其必然原因，因为像二氧化硅和氮化硅这样的绝缘膜，其厚度很难承受传统方法的刻录。

让我们再来看看增强等离子蚀刻技术，它使工业界发生了彻底的改变。因为他们需要在单一条件下加工单晶片，对湿法加工来说，多晶片需要同时处于相同的化学条件下。

在20世纪80年代早期，贝尔实验室的研究员Dan Maydan，David N.K. Wang和Sass Somekh（见照片），加入到Applied Materials公司——一个相对较小的芯片制造设备商，而他们的目标是使增强等离子蚀刻技术商业化。

1974年10月

Robert H. Dennard和其IBM的同事描述了MOSFET微缩方程式，即登纳德缩放比例定律，这正是摩尔定律的另外补充。在特征尺寸缩小时描述电流、功率与功率延迟乘积( power-delay product，PDP)的变化。这项成就催生了后来尺寸更精巧、更经济且可靠的存储器，甚至是更高性能的处理器。

图片来源：SSPL/Getty Images

1975年6月

沃兹尼亚克手工打造了苹果I，只有4kb内存，此后与乔布斯两人联合开发苹果电脑。Apple公司销售额从1978年的780万美元上升至1980年的1.17亿美元。由于PC的热销，带动了集成电路市场的集成化、小型化与低售价的快速发展。

图片来源: Imec

1976年4月

日本开始尝试设立VLSI计划，日本VLSI项目是由日本电气、日立、三菱、富士通和东芝五家竞争实力雄厚的计算机公司以及日本通产省的电气技术实验室、电子技术综合研究所、日本电信电话公社联合研究开发。以往的日本厂商热衷于通过价格战和质量战进行相互竞争，并对私有技术进行严格保密。在这种情况下由互相竞争的企业组成共同研究联合体遭到了不少的质疑。但是在日本通产省政府的协调与领导下，这种由互相竞争的企业组成共同研究联合体的创举取得了成功。日本VLSI项目的组织与研发是通过建立联合实验室和小组实验室的形式来进行研究的。联合实验室坐落在日本电气中心实验室附近，由五大公司和电气技术实验室的研究人员共同参与有关通用性和基础性的技术研究，而小组实验室主要由计算机综合研究所（Computer Design Laboratory，CDL）和日电东芝信息系统（Nipponelectric-Toshiba Information System，NTIS）的实验室构成，它们各自分散在与其相关的公司内部，主要进行应用技术方面的研究。这种由互相竞争的企业组成共同研究联合体的做法不仅整合了各企业的核心竞争力而且推动VLSI技术的扩散，使日本企业齐心协力共同应对外界技术进步带来的压力。美国政府则与1981年成立了半导体研究公司（SRC），三年后，欧洲半导体研发机构IMEC在比利时成立。

图片来源：Addison-Wesley Pub

1977年8月

电子设计自动化发展的下一个重要阶段以卡弗尔·米德（Carver Mead）和琳·康维于1977年发表的论文《超大规模集成电路系统导论》（Introduction to VLSI Systems）为标志。这一篇具有重大意义的论文提出了通过编程语言来进行芯片设计的新思想。如果这一想法得到实现，芯片设计的复杂程度可以得到显著提升。这主要得益于用来进行集成电路逻辑仿真、功能验证的工具的性能得到相当的改善。随着计算机仿真技术的发展，设计项目可以在构建实际硬件电路之前进行仿真，芯片布线布局对人工设计的要求降低，而且软件错误率不断降低。直至今日，尽管所用的语言和工具仍然不断在发展，但是通过编程语言来设计、验证电路预期行为，利用工具软件综合得到低抽象级物理设计的这种途径，仍然是数字集成电路设计的基础。

Mead、David L. Johannsen以及Edmund K. Cheng建立了SCI公司（Silicon Compilers Inc.），公司的关键芯片用在了DEC的MicroVAX小型机中，自动化设计让fabless公司成为可能，而随着Foundry的成立，越来越多的半导体设计公司开始孕育而生。

图片：Toru Yamanaka/AFP/Getty Images

1982年6月

20世纪80年代初IBM研究院Grant Willson与伊藤宏取得了一项突破性的进展，发展了一种光刻胶聚合物，这使通过光刻小于250纳米的结构来制造半导体芯片成为可能。1986年，IBM首次将该技术应用于DRAM生产中。

图片来源：三星电子

1982年9月

三星电子首次设计出64 KB DRAM，现代与LG则紧随其后，这三家公司让韩国成为主要半导体生产国，1994年三星成为1Mb及4Mb DRAM首要供应商，2002年成为半导体第二大制造商，仅次于Intel。

图片来源：Xilinx

1984年3月

赛灵思创始人Ross H. Freeman首次开发了FPGA，Freeman 按照摩尔定律（晶体管数量每两年翻一番）准确推测，晶体管成本将随时间推移稳步下降，低成本、高度灵活的 FPGA 将成为各种应用中定制芯片的替代品。

图片来源：Fujio Masuoka

1984年11月

桀冈富士雄，出生于1943年，日本人，闪存的发明者。在任东芝公司生产线中层管理人员时，即一心要发明能象软磁盘那样可插取、具有“磁带”存储功能的存储器。在1984年IEDM上桀冈富士雄首先提出了NOR Flash，而在1987年的IEDM上，其又提出了NAND Flash，2002年，单颗1Gb NAND开始出现。

1985年

芯片制造商开始使用金属硅化合物以降低门级阻抗，让电路变得更快，在内存芯片中，硅化钨是第一个被使用的金属化合物材料，使电阻降低了一个数量级，自此之后钴，镍，铂等都被用于芯片制造。

图片来源: ASML

1985年

GCA公司为贝尔实验室开发了制作芯片的深紫外光（DUV）设备。该设备使用248 nm波长激光射线。这是光刻的一个大的飞跃，因为深紫外激光光源使扫描仪打印更小的特点，比水银灯的扫描仪快得多。

图片来源：Corbis

1985年11月

在接收一个采访时，AMD发言人安迪罗斯说：“显然，向CMOS发展的趋势仍将继续，直到它成为该行业的主导技术。”在20世纪80年代， P沟道金属氧化物半导体（PMOS）和 N沟道金属氧化物半导体（NMOS）技术主要是通过互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，它结合了P-N两种使电路更优越。到了20世纪80年代中期，美国和日本的公司生产高容量CMOS DRAM。日本公司后来采用由CMOS制造的DRAM和静态RAM，得以占据市场统治地位。制造CMOS的突破来自多晶硅。MOS晶体管很快开始取代双极型器件，很大程度上是因为CMOS的低功耗。

图片来源：ASML

1987年2月

得到了飞利浦公司和台湾政府的支持，前德州仪器总经理Morris Chang创办了台积电TSMC，推出了纯代工模型。这种代工模式马上改变了半导体产业。1994年，台湾的UMC开始由一家集成设备制造商变为代工厂。EDA在半导体代工厂成长中扮演着关键角色。代工厂描述他们的制作过程，将信息转交给EDA产业去开发库和设计工具以实现代工厂的技术。因此，代工厂为没有制造设施的设计团队提供了巨大机会。

图片来源: 半导体产业协会

1992年11月

在美国，半导体产业协会致力于得出第一个半导体路线图，即国家半导体技术路线图。它假设根据摩尔定律每两年芯片上的晶体管翻一番，为芯片行业的所有供应商设立了目标。

图片来源：Intel

1993年3月

英特尔将化学机械抛光（CMP），或平坦化，作为其奔腾处理器互连形成过程的一部分。CMP，长期用于抛光光学镜片，被认为太“脏”而不能被列入高精度的制造过程中，由于磨损造成的颗粒会干扰投影光刻。但在20世纪90年代早期，日本工程师使用CMP制造浅沟，以使晶体管之间电隔离。IBM开发CMP作为使用铜计划的一部分，而不是晶体管之间的金属连接件铝。铜采用电镀沉积在沟槽，而不是溅射沉积方法。

图片来源：IBM

1997年11月

IBM和摩托罗拉在IEEE国际电子器件会议（IEDM）上推出铜互连技术。英特尔，处于产量和成本的担忧，直到2002才放弃这个产业支柱，铝，实现晶体管之间的互联。有关IBM在IEDM上的成绩被华尔街的一个杂志报道以后，IBM的股票价格飞涨。可能是华尔街注重电阻电容（RC）延迟的重要性？

图片来源：Intel

2002年10月

英特尔启动了它的第一个300毫米大批量晶圆工厂，称为 11倍，在新墨西哥Rio Rancho，过渡到300毫米（12英寸）直径的硅晶片，从200毫米，允许超过两倍的芯片将在一个单一的硅片加工。

图片来源：Intel

2002年11月

英特尔将一中称为单轴应变硅的新材料引入其90纳米晶体管。该方法在硅通道中使用了如锗之类比硅原子略大的原子，以增加张力或应变。该方法将硅晶格往与栅极方向正交的方向拉伸，促进电子和空穴通过硅通道的速度。英特尔声称，应变硅晶体管的性能提高10%~25%之间。这个进步预示着一个转变，即芯片性能的进步开始逐渐依赖越来越多的新材料，如硅、锗等 k 和低k 介质，而不是降低物理尺寸的晶体管本身。

2003年9月

英特尔启动了俄勒冈州的D1D工厂。D1D，是一个开发生产设施，是第一个高度自动化的新一代半导体制造厂。在D1D中，行业切换到自动材料处理系统。芯片制造设备厂商采用单个标准来控制设备，称为单线控制。其他的标准，如标准机械接口（SMIF）允许晶片进入生产设备而不被污染。

2004年1月

尼康宣布已经研发并将马上上市一个用于芯片制造的基于浸没式光刻的光学系统。扫描仪卡在由氩氟准分子激光器产生193 nm波长，芯片产业需要缩小晶体管的临界尺寸的新方法。答案：水。缩小尺寸需要更高的数值孔径的光学系统。由于其与空气相比相对较高的折射率，透镜和之间的水上在透镜之间有一层薄薄的水，晶片使光学专家增加或扩大孔径角。这种浸没式光刻成就了高数值孔径光刻机。浸泡，连同相移掩模，这种奇异的离轴照明工具，校准计量和光学邻近校正，使193纳米扫描仪从ASML和尼康打印关键尺寸，比用于芯片电路的辐射波长小了一个完整的量级。

2007年6月

苹果公司推出了第一款iPhone，标志着手机从主要用来通话到数据中心应用的移动设备的转变。智能手机的大量涌现驱动了NAND存储芯片越来越高的集成，并把芯片公司的受益推向新高。ARM公司为很多手机和平板提供低功耗处理器核。由于移动系统的需求增高，每瓦特更高性能而非单纯的性能首次成为业界目标。

2007年11月

在IEDM上，英特尔宣布其将新的绝缘材料引入其45 nm工艺技术的晶体管。high-k金属基于氧化铪的化合物，取代二氧化硅（SiO2）作为晶体管栅门绝缘子。high-k层防止几乎所有的电流通过通道上方的控制栅极泄漏。由于其电气性能，氧化铪层是的晶体管开关速度比基于二氧化硅的栅极材料快很多。寻找一种合适的超越二氧化硅的材料的过程是漫长而痛苦的，Sematech和Imec合作缩小材料的选择。

图片来源：Intel

2011年5月

英特尔高级研究员马克玻尔透露，该公司创造了包含一个垂直晶体管架构的芯片。在此10年前，加州大学伯克利分校的胡正明（Chenming Hu）教授等人提出在高的、垂直的通道周围包裹晶体管的控制闸门，比平面架构的方法能够允许更好的开关。让许多观察家感到意外的是，英特尔在22 nm工艺节点时就切换到一个垂直的FinFET晶体管，这比预期得早。转换到垂直晶体管是一个历史性的启航，并需要解决一个发人深省的系列光刻、蚀刻和其他制造业的挑战。

2014年11月

戈登·摩尔对于器件密度每两年翻一倍的预言似乎要减缓了，很令人惊讶的是在50年以后。在2014 IEDM（ IEEE International Electron Devices Meeting ，IEEE国际电子器件会议）上，英特尔、IBM、台积电和三星都发布了他们的FinFET晶体管技术，基于垂直通道和环绕着通道的控制栅极（闸门）。“FinFET”这个词来源于通道鳍状的外观。与上一代相比，它允许晶体管的数量在一定面积内翻翻。

本人原作者：David Lammers

关键字：摩尔定律半导体编辑：chenyy 引用地址：盘点摩尔定律的里程碑

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