论坛精彩讲稿回顾|可靠性在摩尔定律中的作用

“通过把东西做得更小，一切都同时会变得更好——晶体管会更快，成本会下降，可靠性会提高。”这是戈登·摩尔在1965年提出的著名预言中的原话。然而，现实真的如此简单吗？晶体管尺寸的不断缩小，究竟给可靠性带来了什么？

在2024年可靠性应用技术国际论坛上，汪文岱先生带来了题为《可靠性在摩尔定律中的作用》的精彩分享，为我们揭示了可靠性工程如何成为摩尔定律得以实现的关键支撑。

可靠性在摩尔定律中的作用

汪文岱；上海交通大学学士和硕士，亚利桑那大学博士。在多家财富100强公司担任过可靠性工程技术主管或首席可靠性工程师，成功地发起、开发和推广可靠性设计体系，可靠性先锋计划和供应商可靠性资格认证体系。汪文岱博士发表了50多篇技术论文，并获得了许多奖项，曾受邀在会议上发表过多次演讲和培训。汪文岱博士连续担任RAMS副主席20余年，他还担任过许多国际会议的项目委员会成员或联合主席。是可靠性工程师协会（SRE）硅谷分会副会长和ASQ认证可靠性工程师（CRE）认证准备委员会成员。

摩尔定律最初是一个经济预测：通过缩放技术，使芯片的密度和性能呈指数增长，成本呈指数下降。戈登·摩尔相信，集成不仅能提高性能、降低成本，还能提升芯片的可靠性。

然而，事实远比想象中复杂。

固有矛盾

晶体管数目翻倍需要缩小晶体管尺寸，而简单地缩小尺寸会加速晶体管多个固有的失效机理/失效模式。摩尔本人也对此表示担忧，特别是在功耗和热量方面。

经典缩放原则的局限

半导体行业采用了近40年的经典缩放原则（丹纳德缩放），试图通过对电压和关键物理尺寸的成比例缩小来达到性能和可靠性的均衡改善。但这个原则对晶体管可靠性并不友好：

·电迁移失效成为巨大挑战

·不利于静电放电（ESD）防护

·还有许多意想不到的新挑战不断涌现

1. 铜互连技术革新

微电子工业前30年一直使用铝作为互连导体。随着尺寸不断缩小，铝互连的电迁移问题变得格外严重。

用铜替代铝是微电子工业一个巨大的里程碑，铜互连大体上“解决”了铝互连越来越严重的电迁移问题。

2. 软错误的认识与解决

辐射效应是缩放技术实施过程中意想不到的可靠性问题之一。软错误在1980年前后随着DRAM的引入才被正式发现和广为人知。

一个典型案例：某早期DRAM设计使用了“热”材料，导致近300,000 FIT的软错误率（SER）。切换到不同材料后才消除了数据损坏问题。

3. 多核架构的引入

大约在2006年，经典缩放开始失灵。如果继续降低电压，电流泄漏会带来巨大挑战，导致芯片升温，甚至造成热失控。

行业的解决方案是：不再降低电压，转而采用多核架构来提高芯片性能并保证可靠性。核心数量的增加使晶体管数目仍然成倍增长，延续了摩尔定律。

进入21世纪，经典缩放走到了晶体管的电压极限。电压不再和尺寸同步缩放，给可靠性带来新挑战：

·更高的电场会激发早期失效

·更高的功率密度会加速晶体管的基本失效模式

技术进步和创新（如电子设计自动化、原子层沉积等）解决了大部分芯片的可靠性问题，延续了摩尔定律，但同时也注入了许多新挑战。

当前的严苛要求

如今，晶体管失效率的期望值达到了10⁻¹³这一惊人的低水平。行业已从“提升晶体管可靠性”转为“试图保持可靠性”。因为即使非常低的晶体管失效率，都可能影响新技术实施和新产品开发。

面向未来的技术方向

·三维集成和先进封装

·新材料、新工艺和新检测

·机器学习和人工智能的应用

持续的挑战

·功率密度

·电流密度

·泄漏电流

·传热散热

技术和产品的创新永远是可靠性工程进步和发展的动力。

以摩尔定律为线索，我们可以看到：半导体技术的持续发展推动了摩尔定律一路前行，也塑造了半导体可靠性工程的过去、现在和未来。

需求激励着可靠性工程一路前行。面对新的技术革命，我们需要不断提升可靠性技术，迎接下一个时代的挑战。