摩爾定律：我這一輩子（下）

　　改變正在發(fā)生

　　這種改變其實(shí)已經(jīng)開(kāi)始了，因為晶體管小型化所帶來(lái)的好處正逐步減少。這個(gè)趨勢出現在 2000 年左右，在那時(shí)一種令人并不愉快的現實(shí)逐步顯現出來(lái)。在當時(shí)，晶體管的尺寸已經(jīng)開(kāi)始縮小到 100 納米以下，根據 Dennard 此前提出的縮放比例定律，縮減法則已經(jīng)達到了極限。晶體管的體積變得如此微小，這使得電子設備即使在關(guān)閉時(shí)也會(huì )漏電，這不僅讓電子設備耗能?chē)乐?，也降低其可靠性。雖然人們使用新材料和新的工藝方法來(lái)解決該問(wèn)題，但是工程師們?yōu)榱吮３旨尚酒男阅?，還是不得不停止了大幅度降低每個(gè)晶體管電壓的做法。

　　因為縮放比例定律已經(jīng)不再適用，是否要繼續縮小晶體管尺寸就需要權衡了。讓晶體管體積變得更小，不再意味著(zhù)其運作效率有所提升。事實(shí)上，在今天想要像以往一樣縮小晶體管同時(shí)讓其保持相同的運作速度與功耗是十分困難的。

　　正因為如此，在近十年以來(lái)，摩爾定律更多關(guān)注的是成本問(wèn)題而不是性能問(wèn)題，別忘了，我們之所以要將晶體管變得更小還是為了讓它更便宜。這并不是說(shuō)如今的微處理器不如 5 年或者 10 年前產(chǎn)品的性能好。雖然針對集成芯片的設計工藝不斷提升，但是性能方面的進(jìn)步大部分還是源于更為廉價(jià)的晶體管所帶來(lái)的多核集成。

　　集成芯片的成本問(wèn)題越來(lái)越引人注目，這也是摩爾定律中重要且不被人注意的方面：隨著(zhù)晶體管越變越小，我們能夠年復一年保持用硅晶片制成的每平方厘米的集成芯片成本不變。摩爾推算出制造 1 英畝(約 4046 平方米)大小的集成芯片大概要花費 10 億美元，不過(guò)芯片制造商很少在計算成本時(shí)會(huì )用面積做為參考標準。

　　在近十年來(lái)，想要讓硅晶片的成本保持不變開(kāi)始變得困難。因為想要其價(jià)格保持不變，就需要有穩定的產(chǎn)量來(lái)支撐。在上世紀 70 年代硅晶片在集成芯片中的成本中只占 20% 左右，而如今已經(jīng)提高到了 80%-90%。硅晶片是一種圓形的硅材料，可以被切割成芯片。大規模生產(chǎn)使得制造硅晶片所需的多個(gè)如摻雜和蝕刻這樣的工序成本降低。更為重要的是，設備生產(chǎn)率大幅提升了。由于生產(chǎn)工具與生產(chǎn)工藝的提升，硅晶片在制造速度提高的同時(shí)其性能也得到了提升。

　　有三個(gè)因素決定了這一現實(shí)：不斷提升的產(chǎn)量、更大的硅晶片以及不斷提高的設備生產(chǎn)力。這一切使得芯片制造商在近十年來(lái)能夠制造出電子元件分布密度越來(lái)越大的集成芯片，并且能夠通過(guò)降低晶體管的價(jià)格來(lái)保持生產(chǎn)成本不變。不過(guò)時(shí)至今日，這個(gè)發(fā)展趨勢也即將走到盡頭，因為蝕刻工藝變得越來(lái)越昂貴。

　　在過(guò)去的十年中，針對硅晶片的光刻工藝變得越來(lái)越復雜，這使得硅晶片的制造成本不斷提升，其成本增加速度大約是每年提高 10%。不過(guò)因為與此同時(shí)晶體管的體積每年約縮小 25%，針對每個(gè)晶體管來(lái)看其成本是降低了，但是在同一時(shí)間中總體制造成本的增長(cháng)速度超過(guò)了晶體管的成本降低速度。因此，下一代的晶體管將比過(guò)去的更貴。

　　如果光刻成本繼續快速增長(cháng)，我們所熟知的摩爾定律將很快走到終點(diǎn)?，F在已經(jīng)出現了一些這樣的跡象。在今天先進(jìn)的芯片通常使用了沉浸式光刻技術(shù)，浸入式技術(shù)利用長(cháng)波紫外線(xiàn)光通過(guò)液體介質(zhì)后光源波長(cháng)縮短來(lái)提高分辨率。人們想要使用短波紫外線(xiàn)來(lái)對該技術(shù)進(jìn)行改造，當時(shí)預計該技術(shù)可以在 2004 年投入使用，但是實(shí)際上其進(jìn)入實(shí)際運用的時(shí)間一直被推遲。這就使得芯片制造商不得不轉而繼續研發(fā)能夠提高性能的雙重圖形模式，然而相比單一圖形模它所耗費的制作時(shí)間也增加了 1 倍。芯片制造商還在試圖開(kāi)發(fā)出三重或者四重圖形模式，這當然會(huì )進(jìn)一步提高生產(chǎn)成本。幾年后當我們回顧 2015 年，將發(fā)現可能正是從這一年開(kāi)始，晶體管的制作成本不再持續下降，而是不斷攀升。

　　回顧了摩爾定律五十年來(lái)的發(fā)展，展望未來(lái)，半導體行業(yè)的創(chuàng )新還將持續，不過(guò)這種創(chuàng )新很可能并不是系統性地降低晶體管的成本，而是在集成方面取得新進(jìn)展：在一個(gè)單獨芯片上集合各種不同的功能以降低系統成本。這聽(tīng)上去很像是摩爾定律 1.0 的時(shí)代的邏輯，但是在這種情況下我們并不是僅僅將不同邏輯的芯片集合在一起成為一塊更大的芯片，而是將在歷史上一直獨立于硅片之外的非邏輯功能加入其中。

　　在這方面的早期嘗試就是現代手機中的攝像頭功能，它通過(guò)硅穿孔將一個(gè)圖像傳感器直接集合到數字信號處理器上。在這之后還會(huì )出現更多此類(lèi)例子。集成芯片的設計者們已經(jīng)開(kāi)始探索如何對于微機電系統進(jìn)行集成，這種技術(shù)一旦實(shí)現將可以制造出微型加速計、陀螺儀乃至繼電器邏輯。這同樣適用于制造可以進(jìn)行生物測定與環(huán)境測試的微流體傳感器。

　　所有這些技術(shù)都將使用戶(hù)能夠直接通過(guò)數字 CMOS 來(lái)連接外部，模擬這個(gè)世界。如果這種新的傳感器和制動(dòng)器能夠以較低成本大規模生產(chǎn)，將會(huì )帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益。

　　這個(gè)被稱(chēng)作摩爾定律 3.0 的階段以及半導體產(chǎn)業(yè)的其他創(chuàng )新發(fā)展可能會(huì )產(chǎn)生「超越摩爾」的效果，但是可能并不經(jīng)濟實(shí)惠。將非標準化電子元件集成到一個(gè)芯片之中可能會(huì )帶來(lái)許多令人興奮的結果，比如創(chuàng )造新產(chǎn)品或者是增加新的功能。但是這種發(fā)展并不是有規律可循的，我們無(wú)法對其成功的路線(xiàn)圖進(jìn)行預測。

　　由此看開(kāi)，電子產(chǎn)業(yè)的前進(jìn)道路將會(huì )更加撲朔迷離。在今天為一個(gè)芯片添加一個(gè)新功能可能會(huì )為公司帶來(lái)經(jīng)濟收益，但是誰(shuí)也不能保證在明天為芯片添加另一個(gè)功能還能帶來(lái)更多的回報。毋庸置疑，對于許多半導體行業(yè)現有的公司來(lái)說(shuō)這種轉變過(guò)程會(huì )是十分痛苦的，勝負結果到現在還不能下定論。

　　不過(guò)我仍然認為摩爾定律 3.0 是這個(gè)時(shí)代中最讓人激動(dòng)的定律。一旦我們得到像過(guò)去一樣容易量化的指標，我們將看到富有創(chuàng )造力的應用程序爆炸性地增長(cháng)：仿生操作將于身體無(wú)縫對接，手機可以檢測空氣質(zhì)量與水體質(zhì)量，微型傳感器將能從周邊環(huán)境獲取能量自給自足，還有很多我們想象不到的應用將會(huì )出現在生活中。摩爾定律也許會(huì )逐漸退出歷史舞臺，但是它的遺產(chǎn)將會(huì )在很長(cháng)時(shí)間里面繼續推動(dòng)我們向前發(fā)展。