Tseng Vincent的部落格

技術可以不斷突破　限制來自於成本效益

摩爾定律是否會延續？有兩大層面可以觀察，技術層面及經濟的層面。技術上有哪些挑戰？經濟上又有哪些限制？兩者交錯結合，相互影響。

從技術、物理層面來看，摩爾定律可以持續很久。誇張的說，研發人員可以跟公司的執行長報告：「只要給我足夠的錢，我都可以做得出來！」但是，投資到一定程度後，效益若不划算，受經濟層面限制，摩爾定律就會慢下來。

45奈米世代 CPU業者先面臨挑戰

由國際半導體技術藍圖研討會（ITRS）所展現技術藍圖來看，半導體高速製程在進入45奈米（導線寬度)世代後，電晶體閘寬僅約25奈米，這樣的閘寬甚至比下一世代32奈米導線寬度還精細，所以，事實上45奈米不只比32奈米早一代，而是領先一代半，這是製造微處理器（CPU）業者初跨入時比較辛苦的原因。

同樣的，假若以泛用製程（Generic）、或低功耗（Low-Power）製程為例，閘寬所帶來的技術瓶頸比微處理器晚一代半才會發生。假若微處理器業者無法突破閘寬的限制，低功耗製程還有一代半的時間可以去琢磨，大約是2年左右。所以從電晶體製程限制來看，微處理器業者會比泛用製程、低功耗製程早遇到技術瓶頸。

除了電晶體閘寬問題外，另外兩個較大的技術障礙則是連接線（Interconnect）和微顯影（Lithography），每一代製程都會遇到這3大問題。而對CPU業者來說，45奈米世代是一次遇到兩個比較大的挑戰，得先同時處理電晶體high-K/Metal gate還有浸潤式顯影問題。

High-K/Metal gate成本比以往高很多，然而，45奈米高速製程生產CPU，除了技術需要，其銷價比一般晶片高，所以值得採用這樣高成本技術，但對許多半導體業者而言，在45奈米製程時閘寬不需要做到那麼小、客戶也不願意付出這麼高的成本，因此有些業者選擇到 32奈米世代才採用high-K/Metal gate。

突破45～32奈米之後　22奈米接下來更頭大！

泛用製程與高速製程遇到的挑戰則不盡相同。高速製程電晶體效能要比其他製程更為強大，但泛用製程和低功耗的連接線則要比高速製程更快、更好。CPU設計是非常精雕細琢的（hand-crave），設計者得花很多時間去layout，將電晶體功能最大化、必須儘量縮小連接線空間；但泛用及低功耗製程則是用自動化工具去layout，連接線往往拉得比較長，所以對連接線要求相對更高。

所以對45奈米泛用製程來說，要先解決的反而是連接線第二代Low-K（K=2.5～2.6，K值越低，絕緣性越佳）絕緣材料問題；不像45奈米高速製程首當其衝遇到的是電晶體high-K/Metal gate的問題。

對45奈米以下的半導體製程來說，電晶體閘寬、連接線、微顯影這三樣都屬於高難度，不過45奈米高速製程與32奈米泛用、低功耗製程須克服的障礙正好交換過來（參見附表），因此半導體業者在這2世代間，可以累積經驗、世代傳遞，從此角度看，45~32奈米這兩代可說幸運多了。接下來進入22奈米，又遇到另一個頭大的問題！

22奈米之後　SOI、FinFET兩路各自壓寶

延伸至22奈米以後，原本平面電晶體（planar transistor）結構已沒辦法再延續了，閘寬進步到18奈米以下一旦太窄，電流無法通過，電晶體形同失效。

目前已知的解決方法有兩種，第一個選擇是絕緣層上覆矽（SOI），代表廠商如IBM，另一個則是從平面電晶體改良過來的鰭式場效電晶體（FinFET），將原本平面電晶體改造成為3D結構電晶體。無論是SOI或FinFET都有很高的技術門檻，這對CPU業者來說，這是跨越22奈米首先要面對的問題，泛用型、低功耗製程則下一代才會遇到。

除了電晶體結構的變革，微顯影方面，22奈米浸潤式顯影要持續適用也很困難，很可能要採用雙重曝光。若進一步發展至15奈米，可能要改採直寫式電子光束（e-beam direct write）或深紫外光（EUV）。至於10奈米呢？目前則還沒有確切的架構出現。
　
經濟效益東扣西減　摩爾定律愈走愈慢　

從經濟層面來看，一個世代製程線寬是前一代70％、原來的0.7倍，面積相乘則是原來0.49倍。也就是說，同一晶片面積上，可容納兩倍電路，效益增加100％，這是原本摩爾定律製程微縮的經濟效益理論。可是實際上，真的可以提升100％效益嗎？並不完全。

晶片有數位、類比電路，類比電路通常不能微縮，還有打線（bounding pad）區域也不太能微縮，可能僅能從90奈米微縮至80奈米，因此在100％製程微縮的效益中，這部分就減去25％只留下75％的效益。

從產品設計公司方面，電路設計越來越昂貴，進入新製程，要花費昂貴的設計成本，若扣除設計業者平均研發成本之後，就只剩下52％效益；若再加上晶圓廠的研發成本平均5％，效益就僅剩47％。

在這47％當中，因為製程早期發展，缺陷密度（defect density）往往很低，再加上跌價因素，扣除27％的效益，最後只剩下20％。此外，每前進一代，除了研發費用增加，嶄新的設備、材料都比上一代更加昂貴，加加減減之後，原本增加的20％效益，通常僅剩下幾個百分點。這僅剩的幾個百分點效益還是由晶圓廠和客戶兩邊瓜分的。

問題是，為什麼在這種情況下，大家還是得硬著皮去做呢？因為賺這幾個百分點，財報上就呈現出差別。

還有，別忽略，據設計產品者預估，每設計新世代產品，設計成本比上一代增加2、3倍，而晶圓廠投入的製程研發成本也比上一代貴1.5倍，所以如果說摩爾定律帶來的效益還要存在的話，就代表產品設計者2年營業額要提高2~3倍、晶圓廠則要在2年之內成長50％，這兩者，都不易達到。