小芯片未来：IMEC 最新路线图勾勒 2039 年产业蓝图

近年来，英伟达首席执行官黄仁勋等众多业内资深人士对摩尔定律的未来发展持悲观态度。他们认为，随着芯片制造技术逐渐逼近物理极限，摩尔定律所描述的发展节奏将难以维系。然而，芯片生产研究和工程机构 IMEC 发布的全新路线图，却为行业带来了截然不同的观点 —— 摩尔定律依然在芯片发展进程中发挥着重要作用。如果该路线图能够精准落地实施，我们甚至可以清晰预见芯片制造直至 2039 年的详细发展轨迹，届时芯片工艺将迈入 0.2 纳米节点的崭新时代。

在深入探究 IMEC 的预测之前，我们有必要重新审视摩尔定律的本质内涵。摩尔定律并非自然界中一成不变的基本法则，而是基于过往历史经验对半导体行业发展趋势进行的归纳与总结。英特尔将其精炼概括为 “单个芯片上的晶体管数量每两年翻一番，且成本维持在相对较低水平”。这意味着每间隔两年，消费者就能够以大致相同的价格获得性能翻倍提升的芯片产品。不过，“两年翻一番” 并非是绝对严格的标准，从本质上来说，它更像是半导体行业长期发展所呈现出的一种总体趋势。

然而，摩尔定律中 “低成本” 这一关键条件，正面临着现实的严峻挑战。近年来，先进芯片的制造成本呈现出爆炸式增长的态势，高端 GPU 动辄上万元的高昂售价便是有力的证明，这与摩尔定律所预期的低成本形成了强烈的反差。与此同时，芯片制造的命名规则也饱受业界诟病。如今，制程命名已经逐渐脱离了物理实际情况，例如号称采用 3 纳米工艺制造的芯片，其内部组件的实际尺寸远非 3 纳米。

IMEC 作为专注于芯片生产基础研究的权威机构，其研究领域广泛覆盖了新材料、新型光刻技术以及下一代晶体管设计等多个关键领域。该机构的研究成果对整个芯片制造业产生了深远的影响，也使其具备了精准预测芯片技术未来走向的强大能力。在 IMEC 发布的路线图中，芯片制造的未来发展路径清晰可见。

从工艺节点的发展来看，行业将从台积电当前最为先进的 3 纳米技术起步，逐步演进至 2027 年的 14 埃（1.4 纳米）技术，到 2029 年进一步达到 10 埃（1 纳米），并持续不断推进发展，最终于 2039 年进入 2 埃以下（小于 0.2 纳米）的节点。在光刻技术方面，更为先进的极紫外（EUV）光刻技术将发挥关键作用，助力实现 0.2 纳米以下的制造目标。在晶体管技术领域，预计到 2027 年左右，FinFET 晶体管将被纳米片晶体管所取代；到 2031 年，叉片晶体管将登上历史舞台；随后，互补 FET 的出现将使晶体管密度瞬间实现翻倍增长。从 2037 年开始，芯片部分材料将朝着二维化的方向发展，通过先进的材料沉积技术，实现晶体管内部原子级厚度的材料片。此外，芯片底部的数据和电源互连技术也将不断进行升级，从基本的背面互连逐步发展为更为复杂的全局互连和局部信号线背面互连。

值得注意的是，工艺节点的命名与实际组件尺寸之间存在着巨大的差异。在 1990 年之前，栅极长度的减小几乎呈现出完全线性的特征，从 “Xnm” 的命名就能够直观反映出芯片的性能。每一代晶体管的长和宽大约是上一代的 0.7 倍（长度 0.7 * 宽度 0.7 = 0.49），这意味着单个晶体管的面积缩小到原来的 0.5 倍，很好地印证了摩尔定律中晶体管密度翻倍的描述。例如 180nm > 130nm > 90nm > 65nm > 45nm > 32nm > 22nm，其中 “X” 指的就是芯片栅极的长度，也就是 MOS 晶体管的源极到漏极的距离。随着先进制程的数字不断减小，对应的晶体管密度会越来越大，芯片的功耗也会相应降低，而性能则会显著提高。

在后续的技术演进过程中，制程节点减小的速度逐渐加快，大约为 0.72 倍，并且不再呈现出完全线性的特征。场效应晶体管也逐渐脱离了原本固定的结构，例如 FinFET 这种空间结构晶体管的出现，使得沟道变成了三维环绕的形式，沟道长度逐渐不能再代表工艺的最高精度。7nm、5nm、3nm 等制程命名也不再是沟道长度的实际代表，它们作为等效长度，仅仅是一个数字符号。

栅极的长度是衡量芯片制造工艺的一个重要指标。栅极的长度越小，源极和漏极之间流过的电流就会越快；鳍片间距（Fin Pitch）也是衡量工艺先进性的一个重要参数。在 FinFET 晶体管时期，增加 fin（鳍）的高度、减小 fin 之间的间距能够有效增加驱动电流，从而提高芯片的运行效率；除此之外，金属间距和逻辑单元等也是重要的衡量指标。金属间距越小，需要克服的电容效应就越小；逻辑单元的最小单元高度越低，在 3D 堆叠方面就更具有优势。

以台积电的芯片发展为例，在其 3 纳米工艺中，晶体管栅极间距实际为 23 纳米。到 2027 年 14 埃节点时，该距离将缩小至 21 纳米；到 2039 年，预计该间距将在 14 纳米至 10 纳米之间。这意味着，真正意义上的 10 纳米芯片或许要到 2039 年才会出现。不过，持续的技术进步远比命名更为重要。

按照 IMEC 预测的发展节奏，到 2039 年芯片的复杂程度将超乎我们的想象。对比 2011 年英特尔基于 32 纳米工艺制造的 Sandy Bridge CPU，其 Core i7 2700K 芯片仅有 11 亿个晶体管；而如今的英特尔 Core Ultra 9 285K 芯片晶体管数量已接近 180 亿个。以此类推，到 2039 年 CPU 的晶体管数量有望达到约 3000 亿个，GPU 的晶体管数量甚至可能接近 1.5 万亿个。

尽管这些数据目前仍存在一定的猜测成分，但不可否认的是，摩尔定律中晶体管数量倍增、芯片复杂度提升的核心逻辑依然在芯片发展过程中发挥着重要作用。然而在成本控制方面，半导体行业仍然面临着巨大的挑战。未来，如何在延续摩尔定律的同时有效解决成本难题，将成为半导体行业发展的关键课题。