存在50年的摩爾定律正在失靈？

　　1965年，英特爾聯(lián)合創(chuàng )始人戈登-摩爾觀(guān)察到，集成電路中的元件集成度每12個(gè)月就能翻番。此外，確保每晶體管價(jià)格最低的單位芯片晶體管數量每12個(gè)月增長(cháng)一倍。1965年，單位芯片50個(gè)晶體管可以帶來(lái)最低的每晶體管成本。摩爾預計，到1970年，單位芯片可集成1000個(gè)元件，而每晶體管成本則將下降90%。

　　在對數據進(jìn)行提煉和簡(jiǎn)化之后，這一現象就被稱(chēng)作“摩爾定律”：?jiǎn)挝恍酒w管數量每12個(gè)月增長(cháng)一倍。

　　摩爾的觀(guān)察并非基于任何科學(xué)或工程原理。這僅僅反映了行業(yè)發(fā)展趨勢。然而，在隨后的發(fā)展中，半導體行業(yè)并沒(méi)有將摩爾定律當作描述性、預測性的觀(guān)察，而是視為規定性、確定性的守則。整個(gè)行業(yè)必須實(shí)現摩爾定律預測的目標。

　　然而，實(shí)現這一目標無(wú)法依靠?jì)e幸。芯片開(kāi)發(fā)是一個(gè)復雜過(guò)程，需要用到來(lái)自多家公司的機械、軟件和原材料。為了確保所有廠(chǎng)商根據摩爾定律制定同樣的時(shí)間表，整個(gè)行業(yè)遵循了共同的技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖。由英特爾、AMD、臺積電、GlobalFoundries和IBM等廠(chǎng)商組成的行業(yè)組織半導體協(xié)會(huì )從1992年開(kāi)始發(fā)布這樣的路線(xiàn)圖。1998年，半導體行業(yè)協(xié)會(huì )與全球其他地區的類(lèi)似組織合作，成立了“國際半導體技術(shù)路線(xiàn)圖”組織。最近的一份路線(xiàn)圖于2013年發(fā)布。

　　摩爾定律提出的預測早在很久之前就已出現過(guò)問(wèn)題。1975年，摩爾本人更新了摩爾定律，將半導體行業(yè)的發(fā)展周期從12個(gè)月增加至24個(gè)月。在隨后30年中，通過(guò)縮小芯片上元件的尺寸，芯片發(fā)展一直遵循著(zhù)摩爾定律。

　　摩爾定律的終結

　　然而進(jìn)入21世紀后，很明顯單純依靠縮小尺寸的做法正走向窮途末路。不過(guò)，通過(guò)其他一些技術(shù)，芯片的發(fā)展仍然符合摩爾定律的預測。在90納米時(shí)代，應變硅技術(shù)問(wèn)世。在45納米時(shí)代，一種能提高晶體管電容的新材料推出。在22納米時(shí)代，三柵極晶體管使芯片性能變得更強大。

　　不過(guò)，這些新技術(shù)也已走到末路。用于芯片制造的光刻技術(shù)正面臨壓力。目前，14納米芯片在制造時(shí)使用的是193納米波長(cháng)光。光的波長(cháng)較長(cháng)導致制造工藝更復雜，成本更高。波長(cháng)13.5納米的遠紫外光被認為是未來(lái)的希望，但適用于芯片制造的遠紫外光技術(shù)目前仍需要攻克工程難題。

　　即使遠紫外光技術(shù)得到應用，目前也不清楚，芯片集成度能有多大的提高。如果縮小至2納米，那么單個(gè)晶體管將只有10個(gè)原子大小，而如此小的晶體管可靠性很可能存在問(wèn)題。即使這些問(wèn)題得到解決，功耗也將繼續造成困擾。隨著(zhù)晶體管的連接越來(lái)越緊密，芯片功耗將越來(lái)越大。

　　應變硅和三柵極晶體管等新技術(shù)歷經(jīng)了10多年的研究才得到商用。遠紫外光技術(shù)被探討的時(shí)間更長(cháng)。而成本因素也需要考慮。相應于摩爾定律，業(yè)界還有一個(gè)洛克定律。根據后一定律，芯片制造工廠(chǎng)的成本每4年就會(huì )翻番。新技術(shù)的發(fā)展可能將帶來(lái)更高的芯片集成度，但制造這種芯片的工廠(chǎng)將付出高昂的造價(jià)。

　　近期，這些因素給芯片公司造成了現實(shí)問(wèn)題。英特爾原計劃于2016年在Cannonlake處理器中改用10納米工藝，這小于當前Skylake芯片采用的14納米工藝。去年7月，英特爾調整了計劃。根據新計劃，英特爾將推出另一代處理器Kaby Lake，并沿用此前的14納米工藝。Cannonlake和10納米工藝仍在計劃之中，但被推遲至2017年下半年發(fā)布。

　　與此同時(shí)，新增的晶體管變得越來(lái)越難用。上世紀80至90年代，新增晶體管帶來(lái)的價(jià)值顯而易見(jiàn)。奔騰處理器的速度遠高于486處理器，而奔騰2代又遠好于奔騰1代。只要處理器升級，計算機性能就會(huì )有明顯的提升。然而在進(jìn)入21世紀之后，這樣的性能提升逐漸變得困難。受發(fā)熱因素影響，時(shí)鐘頻率無(wú)法繼續提高，而單個(gè)處理器核心的性能只能實(shí)現增量式增長(cháng)。因此，處理器正集成更多核心。從理論上來(lái)說(shuō)，這提升了處理器的整體性能，但這種性能提升很難被軟件所利用。

　　“比摩爾更多”的新路線(xiàn)圖

　　這一系列困難表明，由摩爾定律驅動(dòng)的半導體行業(yè)發(fā)展路線(xiàn)圖即將終結。但摩爾定律日薄西山并不意味著(zhù)半導體行業(yè)進(jìn)步的終結。

　　2014年，國際半導體技術(shù)路線(xiàn)圖組織決定，下一份路線(xiàn)圖將不再依照摩爾定律。新的路線(xiàn)圖不再專(zhuān)注于芯片內部技術(shù)，而新方法被稱(chēng)作“比摩爾更多”。例如，智能手機和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展意味著(zhù)，多樣化的傳感器和低功耗處理器的重要性將大幅提升。用于這些設備的高集成度芯片不僅需要邏輯處理和緩存模塊，還需要內存和電源管理模塊，用于GPS、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和WiFi網(wǎng)絡(luò )的模擬器件，甚至陀螺儀和加速計等MEMS器件。

　　以往，這些不同類(lèi)型的器件需要用到不同的制造工藝，以滿(mǎn)足不同需求。而新路線(xiàn)圖將提出，如何將這些器件集成在一起。整合不同制造工藝、處理不同原材料需要新的處理和支持技術(shù)。如果芯片廠(chǎng)商希望為這些新市場(chǎng)開(kāi)發(fā)芯片，那么解決這些問(wèn)題比提高芯片集成度更重要。

　　此外，新的路線(xiàn)圖還將關(guān)注新技術(shù)，而不僅是當前的硅CMOS工藝。英特爾已宣布，在達到7納米工藝之后，將不再使用硅材料。銻化銦和銦鎵砷化合物都有著(zhù)不錯的前景。與硅相比，這些材料能帶來(lái)更快的開(kāi)關(guān)速度，而功耗也較低。碳材料，無(wú)論是碳納米管還是石墨烯，也在繼續被業(yè)內研究。

　　在許多備選材料中，二維材料“石墨烯”被看好。這種自旋電子材料通過(guò)翻轉電子自旋來(lái)計算，而不是通過(guò)移動(dòng)電子。這種“毫伏特”量級(操作電壓比“伏特”量級的晶體管要低得多)的電子開(kāi)關(guān)比硅材料開(kāi)關(guān)的速度更快，而且發(fā)熱量更小。不過(guò)這種電子材料還未走出實(shí)驗室。

　　盡管優(yōu)先級下降，但縮小尺寸提高集成度的做法并未被徹底拋棄。在三柵極晶體管的基礎上，到2020年左右，“柵極全包圍”晶體管和納米線(xiàn)將成為現實(shí)。而到本世紀20年代中期，一體化3D芯片將出現，即在一整塊硅片上制作多層器件。

　　此外，另一種提高計算性能的方法是使用像“量子計算”這樣的技術(shù)，該技術(shù)有望加速某些特定問(wèn)題的計算速度，還有一種“神經(jīng)計算”技術(shù)旨在模擬大腦的神經(jīng)元處理單元。 但是，這些替代性的技術(shù)可能需要很久才能走出實(shí)驗室。 而許多研究者認為，量子計算機將為小眾應用提供優(yōu)勢，而不是用來(lái)取代處理日常任務(wù)的數字計算。去年年底，谷歌量子人工智能實(shí)驗室已證明：他們的D-Wave量子計算機處理某些特定問(wèn)題，比普通計算機快一億倍。

　　如果集成度能獲得明顯提升，那么市場(chǎng)對速度更快的處理器的需求可能將再次爆發(fā)。