工艺升级的障碍：漏电流

然而半导体工艺是不可能一直无下限的缩小制程的，漏电流这个问题是当中一个重要因素。在场效应晶体管的门与通道之间是有一层绝缘的二氧化硅的，作用就是防止漏电流的，这个绝缘层越厚绝缘作用越好，然而随着工艺的发展，这个绝缘层的厚度被慢慢削减，原本仅数个原子层厚的二氧化硅绝缘层会变得更薄进而导致泄漏更多电流，随后泄漏的电流又增加了芯片额外的功耗。

传统工艺制造的晶体管(左)与3D晶体管(右)模型对比，黑色部分就是绝缘层

要解决漏电流这个问题，继续沿用以往的工艺是不可能的，2007年Intel在45nm这个节点就引入了HKMG工艺，而在2011年Intel在22nm节点导入了3D晶体管也就是FinFET工艺，它们都可以有效降低漏电率。

22nm 3D晶体管比32nm工艺大大降低了漏电流

在改善工艺的同时，科研人员很早就开始寻找新的半导体材料，包括砷化镓、碳纳米管甚至量子阱晶体管。2015年IBM及合作伙伴三星、GlobalFoundries率先展示了7nm工艺芯片，使用的就是硅锗材料，使用这种材料的晶体管开关速度更快，功耗更低，而且密度更高，可以轻松实现200亿晶体管，晶体管密度比目前的硅基半导体高出一个量级。

工艺升级使功耗密度上升?

CPU工艺架构

另外在2012年Intel发布22nm工艺的Ivy Bridge时，大家都发现这款处理器比上一代Sandy Bridge温度要高相当多，当时有个解释就是IVB的核心面积下降而晶体管密度上升，因此功耗密度比SNB要高，而接触面积的减少使得散热效率降低，这听上去很有道理但是导致IVB高温的原因并不是这个。

SNB上使用的一直是fluxless solder(无钎剂焊料)，而IVB上改用了TIM膏(类似硅脂)，这二者的导热系数明显不同，前者可达80 W/mK，而TIM膏只有5 W/mK，不少外媒对IVB处理器进行了开盖测试，更换导热系数更高的液态金属散热膏后温度会下降15-20℃之多。所以更先进的工艺会使功耗密度上升这个未必是成立的。

总结：

半导体工艺是决定各种集成电路性能、功耗的关键，这篇课堂中我们简单介绍了先进工艺带来的两大好处——晶体管密度提升从而降低了成本，其次就是晶体管频率提高，性能提升而功耗降低。但是半导体工艺发展到现在已经接近10nm，再往下工艺升级的困难越来越大，科技公司迫切需要寻找新的材料、技术来突破障碍。在这一点上，Intel已经表达了他们的自信，表示7nm节点上公司将重回摩尔定律正轨，保持2年升级一次工艺的节奏。