前 言
科学技能展开到今日，大部分宏观国际的理论技能现已被遍及使用，中心科技推进力现已深化到微观处理技能（如深纳米级芯片技能、量子核算）、超高频无线技能（如毫米波、太赫兹技能）、生物技能（如脑科学、基因技能）和太空技能（如深空探究、火星移民）。这些科技的特点是在日常日子中简直感触不到，即使是承受过高等教育、但没有承受过专业训练的科技作业者也难以了解其间的微妙。在形形色色的媒体报道、排名比照、展会比赛的冲击下，科技作业者假如没有坚持镇定客观的心态，不光是注意力和时刻会被占用，并且还会发生莫名的比照压力。在泛网络化、泛媒体化和科技立异向纵深展开的新时代，咱们发起科技作业者能够守正出奇，积极参与开放式立异，推进我国科技立异的稳步展开。本文为”科学的担任“系列第六篇。
撰文 | 宋继强（英特尔我国研讨院院长）
在上一年清华大学举行的庆祝集成电路创造60周年的会议上，有位院士就摩尔规律做了一个十分精彩的比方： “与其说摩尔规律是一个工业规则，不如说摩尔规律是一面旗号，来鼓舞咱们持之以恒地推进科技和工业前进！”
确实，摩尔规律不是一条物理规律，而是一个前期经过调查发现的职业展开规则，后来由人为力气刚强推进的工业前进周期。摩尔规律是由英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔提出的。1965年4月19日，《电子学》杂志（Electronics Magazine）宣布了摩尔（时任仙童半导体公司工程师）编撰的文章 “让集成电路填满更多的组件”，文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年添加一倍。1975年，摩尔依据其时的实践情况对摩尔规律进行了批改，把 “每年添加一倍” 改为 “每两年添加一倍”。所以，业界遍及盛行的说法是 “每18-24个月添加一倍”。
在摩尔规律展开的前期，集成电路上的空间利用率不高，首要经过扩容来到达晶体管密度翻倍。但这种方法很快就到达了极限，后来几十年首要经过晶体管微缩（scaling）来进步密度，资料、工艺、测验技能都推进到了纳米等级。
摩尔规律的展开，反映了集成电路工业从无到有、到支撑起今日整个信息科技的大厦的进程。在这中心，靠的不是一两个偶尔发现的技能打破，而是连绵不断的新资料、新工艺和新技能的引进，表现了“守正出奇”在科技立异中的重要性。
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1.科技立异为何需求守正出奇
“守正出奇”源自《孙子兵法》，指按着惯例展开，却又不坚守惯例，能打破思想、出其不意。科学的实质，是使片面知道与客观实践完结详细一致的实践活动。这是一个双向互相促进的进程，需求人不断地从思想和实际之间去考虑、发现和验证。科学展开有其客观规则，需求用实践查验理论，进程要逻辑严密、可重复、可证伪，不能投机取巧，不能违反准则。而人的思想创造性（或许说创意）又常常是严重打破的源泉。在科研精力方面，“守正出奇”对应着耐性、好奇心和平常心。
1.1“守正”是持续成功之母
晶体管微缩触及许多要害技能，首要是处理两个问题：一是怎么制作更小的晶体管；二是当晶体管密度添加后怎么操控功耗。就像1990年，当晶圆上的晶体管巨细到达用以印刷它们的光的波长（193纳米）时，物理学界明确指出不能再向前推进了。但英特尔打破了应战，用掩模图形发生的干与光栅进行印刷，开发了核算型光刻技能和多重曝光，能够持续微缩晶体管。在2000年今后的几个要害节点上，例如2003年90nm节点选用应变硅（Strained Silicon），2007年45nm节点选用高K金属栅极（High-K metal Gate），2011年的22nm节点选用3D晶体管（FinFET），无一例外都需求五年以上的研制和实验周期。当发生了一个主意，就需求规划实验、搜集数据来验证它。这个进程需求极大的耐性，因为或许需求许屡次、很长时刻才干完结实验。实验成果出来后，有或许是成功验证了主意，也有或许是失利了。这个时分咱们要有平常心，知道科学研讨不或许一往无前，原本便是要面临或许的失利。胜不骄、败不馁，表现出沉着淡定的自信心，依据实验成果，经过不断批改主意和实验，终究取得成功。
因为技能范畴的复杂性，即使是职业里的顶尖专家，对5年后的技能猜测也未必精确。并且，外界还不时有“摩尔规律走不下去了”的声响。这时，不只需求耐性和平常心来安然面临实验中的窘境和外界的质疑，还需求有好奇心来发现新的时机。
1.2“出奇”带来打破
我想用英特尔在45nm节点选用高K金属栅极技能为例，阐明“出奇”的重要性。戈登·摩尔对这项立异给予了十分高的点评： “高K栅极介电质+金属栅极晶体管是自上世纪60年代晚期推出多晶硅栅极金属氧化物半导体（MOS）晶体管以来，晶体管技能范畴里最严重的打破。”为什么呢？
咱们说45nm制程，不是指的芯片上每个晶体管的巨细，也不是指用于蚀刻芯片构成电路时选用的激光光源的波长，而是指芯片上晶体管和晶体管之间导线连线的宽度，简称线宽。半导体业界习惯上用线宽这个工艺尺度来代表硅芯片生产工艺的水平。因为线宽越小，晶体管也越小，让晶体管作业需求的电压和电流就越低，晶体管开关的速度也就越快，这样新工艺的晶体管就能够作业在更高的频率下，随之而来的便是芯片功能的进步。从单个晶体管的视点来看，为了连续摩尔规律，需求每两年把晶体管的尺度缩小到本来的一半。
65nm的工艺现已将晶体管的组成部分做到了几个分子和原子的厚度，组成半导体的资料现已到达了它的物理电气特性的极限。最早到达这个极限的部件是组成CMOS晶体管的栅极氧化物——栅极介电质，其时的工艺都是选用二氧化硅（SiO2）层作为栅极介电质。咱们把源极（Source）和漏极（Drain）之间的部分叫做沟道（Channel），在栅极氧化物上面是栅极（Gate）。晶体管的作业原理便是经过对栅极施加电压来操控源极和漏极之间的沟道能否发生有用电流，然后使晶体管处于敞开或许封闭的状况。咱们能够把栅极比方为操控水管的阀门，敞开让水流过，封闭截止水流。晶体管的敞开/封闭的速度便是咱们说的频率，假如主频是1GHz，也便是晶体管能够在1秒钟敞开和封闭的次数达10亿次。
同1995年晶体管中二氧化硅层比较，65nm工艺的晶体管中的二氧化硅层现已缩小到只要前者的十分之一，仅有5个氧原子的厚度了。作为隔绝栅极和基层的绝缘体，二氧化硅层现已不能再进一步缩小了，不然发生的漏电流会让晶体管无法正常作业，假如进步有用作业的电压和电流，会使芯片终究的功耗大到惊人的境地。所以，从65nm开端，咱们现已无法让栅极介电质持续减缩变薄。并且到45nm，晶体管的尺度要进一步缩小，源极和漏极也靠得更近了。假如不能处理栅极向下的漏电问题以及源极和漏极之间的漏电问题，新一代处理器的面世或许变得遥遥无期。这个时分， “摩尔规律走到了止境” 的说法不绝于耳。
现有资料都到物理极限了，怎么办呢？已然持续选用二氧化硅作为栅极介电质没有出路，那么就要另辟蹊径，寻觅比二氧化硅更好的 “绝缘体”，用以更好地分隔栅极和晶体管的其他部分，并且替代资料需求具有比二氧化硅更高的介电常数和更好的场效应特性。一种资料应具有杰出的绝缘特点，一起在栅极和沟道之间发生很好的场效应——便是高K。K 其实是电子学的工程术语，K源于希腊文Kappa，用于衡量一种资料存储电荷（正电荷或许负电子）的才能。具有高K的资料能够比其他资料更好地存储电荷。
经过对各种新资料的组合测验，研讨人员终究找到了一种根据金属铪（Hafnium）的氧化物，这种资料具有高K的潜质。不过这种资料作为新的栅极介电质和本来的栅极的多晶硅并不兼容。又经过了屡次的实验和挑选，终究选用金属替代多晶硅作为栅极资料的方法来处理问题。这便是全新的 “高-K 栅极介电质+金属栅极”晶体管（介电质也称为介质）。这种晶体管与前一代 “传统资料” 做的晶体管比较，有质的腾跃——源极到漏极的漏电下降80%以上，栅极氧化物介电质漏电下降 90%以上；驱动电流效率进步20%以上，即晶体管的功能进步20%。
好奇心是科学发现的源泉。在不断的立异进程中，正因为研讨人员跳出了原有技能和思想结构，找到了根据金属铪的氧化物这种具有高K潜质的资料，才让处理器的展开得以持续。一起也改变了四十多年来咱们对传统晶体管的知道，让世人知道 “本来晶体管还能够这么做”。
耐性和好奇心是相得益彰的：一个守正，一个出奇，保证能找到战胜难题的钥匙。
2.推进开放式科技立异
在曩昔的六十年间，集成电路的复杂度有节奏的增加。这个节奏不是一家公司推进的，而是社会化协作的产品。它是人们在想象力的启发下，依托经历提出或许性（摩尔规律），并经过全球半导体工业的协作与竞赛来强化。经过学术界与公司协作、会议交流和“技能路线图”的有组织干涉以及投入巨额研制资金和数十万人的尽力，来推进芯片规划制作全工业链的指数式展开。这种形式便是超出单个实验室、科研机构、公司、乃至国家的开放式立异。例如，英特尔在22nm节点选用的3D晶体管技能就源自学术界提出的 FinFET（鳍式场效晶体管）规划。FinFET的创造人是加州大学伯克利分校的胡正明（Chenming Hu）教授，他也曾担任过台积电（TSMC）的CTO。
集成电路展开到今日的深纳米等级，想仅靠一家公司或科研机构之力来实验各种新资料、新器材和新的制程工艺都是不切实践的。毋庸置疑，美国是国际半导体技能的中心。在曩昔20年中，美国政府和职业协会严密协作，联合大学一起推进技能展开。举一个最近的比如，当半导体职业因为摩尔规律放缓遭到应战时，美国国防高档研讨方案局（DARPA）于2017年启动了 “电子复兴方案”（ERI：Electronics Resurgence Initiative），被业界称为将敞开下一次电子革新。
ERI是一个历时5年，总投资15亿美元的研讨方案，是商业界、工业界、大学研讨人员和国防部之间展开的一系列前瞻性协作项目，要求对微体系的资料、规划和架构等选用立异性的新方法展开研讨。该方案首要包含由大学主导研讨的联合大学微电子学项目（JUMP）、工业界主导研讨的 “Page 3 Investments” 以及一些传统的项目等。
JUMP 建立了一个由 DARPA 与工业界组成的联盟，工业界成员现在包含 IBM、英特尔、ADI、台积电、ARM 和三星电子等。联盟成员一起拟定 JUMP 项目的要点研讨范畴，也一起为项目供给资金支撑，约请大学的研讨团队来联合研讨，并激烈鼓舞大学之间的穿插同享，以到达处理研讨技能所需的深度和规模。DARPA 将供给大约40%的资金，其他协作伙伴将一起承当60%。
在未来的立异使用范畴，因为触及核算、通讯、人工智能、安全等多范畴的前沿技能，相同需求多方协作的开放式立异。例如英特尔我国研讨院的 “智能网联驾驭” 和 “机器人4.0” 研讨方向，都构建了联合多个大学、企业协作伙伴一起研制的渠道，然后加快推进技能展开和生态体系建造。
新时代的科技立异的特点是复杂度高、跨学科穿插、周期短。我国在半导体范畴根底弱，可是展开速度很快，使用远景十分宽广。因而，咱们要集合多范畴的人才，经过有组织的开放式立异让偶尔的技能打破更快速呈现，然后使科技前进的快节奏成为必定。
制版修改 | 皮皮鱼
