紀念摩爾定律50周年(下)

摘要：為紀念摩爾定律發(fā)表50周年，本文介紹了摩爾定律的最初提出，一直作為信息技術(shù)工業(yè)的第一定律，它不僅有力地促進(jìn)了電子信息工業(yè)的快速發(fā)展，甚至深刻地改變了社會(huì )歷程和人類(lèi)生活。今天摩爾定律正在接近它的終極，文章較詳細地描述了“后摩爾定律時(shí)代”的多元化技術(shù)發(fā)展。

接上期

摩爾定律的終極

　　摩爾定律簡(jiǎn)單一點(diǎn)地說(shuō)，就是使電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代快，而且有規律可循，今天買(mǎi)了一臺電腦，它的性能是兩年前同等價(jià)格所買(mǎi)電腦的兩倍。摩爾定律表達的“集成電路集成度提高成本下降”的含義，或可推演而成“性能提高成本下降”的一般概念，那就適用于一切產(chǎn)業(yè)，包括汽車(chē)、航空、鋼鐵等等，事實(shí)上，電子業(yè)界的產(chǎn)品、所用半導體、制造設備和材料等有關(guān)廠(chǎng)商都以摩爾定律作為基準來(lái)制定各自的開(kāi)發(fā)計劃。摩爾定律堪稱(chēng)“魔術(shù)師手拿的棍子”，成為將“科幻世界”轉變?yōu)楝F實(shí)的原動(dòng)力，技術(shù)不斷進(jìn)步的源泉。

　　摩爾定律的作用如此巨大，受到了人們的無(wú)限崇拜，愛(ài)之不能釋手，似已不可一日或無(wú)。日前有外媒刊載了一篇以“五十年后摩爾定律才開(kāi)始顛覆一切”為題的文章說(shuō)：“4月19日是摩爾定律發(fā)表五十周年，在現代，摩爾定律對工業(yè)和人類(lèi)社會(huì )的影響超過(guò)了其他任何事物”，“摩爾定律已經(jīng)徹底改變了我們的生活”，“更加重要的是，其影響才剛剛開(kāi)始，盡管摩爾本人曾說(shuō)，他認為他提出的摩爾定律會(huì )在這個(gè)十年結束時(shí)失效”。

　　另一方面，業(yè)界人士對摩爾定律何時(shí)終結的討論已有數年，也有外媒前幾年就直白地說(shuō)：“摩爾定律已死?重要嗎?”“業(yè)界持續討論摩爾定律終結已經(jīng)有一段時(shí)間了……摩爾定律終結可能大幅改變目前的產(chǎn)業(yè)……美國國防部先進(jìn)研究計劃署(DARPA)微系統技術(shù)辦公室總監Robert Colwell(甚至)說(shuō)，摩爾定律終結將成為美國國家安全的威脅……(但是，)我們當然不能指望50年來(lái)沿用的技術(shù)永遠不發(fā)生改變地持續下去”。

　　世界萬(wàn)物有始必有終，摩爾定律總有失效之時(shí)。摩爾本人坦承：“Something like this can’t continue for ever”他在2005年紀念摩爾定律40周年時(shí)曾說(shuō)，再過(guò)40年后的情況不可想象，但他預想摩爾定律還可存在一、二十年。上面說(shuō)過(guò)，推進(jìn)摩爾定律發(fā)展的動(dòng)力是工藝微細化，1970年半導體的加工尺寸為10μm，經(jīng)過(guò)40年到2005年接近50μm，縮小了200多倍，大約每3年發(fā)生一次技術(shù)變革，從0.1um后工藝微細化速度開(kāi)始趨緩。大約在進(jìn)入新世紀之前，工藝微細化即曾遭遇到3次所謂極限挑戰：第1次是1985年的1μm，第2次是上世紀90年代的深亞微米(0.5μm以下)，第3次是21世紀初的0.1μm，但都一一被化解，延續發(fā)長(cháng)到今天的20nm左右。市場(chǎng)調研公司iSuppli在2009年曾發(fā)表一份報告指出：“1965年出現的摩爾定律在20nm～18nm工藝之間仍然有效，但達到18nm之后很可能失效，引起了熱議。究其原因，其一是技術(shù)突破難度加大，其二是成本太高無(wú)法回收。據統計，世界半導體業(yè)營(yíng)收1960年～1995年的年均增長(cháng)率達17%，而自1995年～2010年間已下降到約6%。

　　到目前為止，英特爾、IBM都仍主要采用22nm成熟工藝，AMD更停留在 28nm多年，業(yè)界正在轉向l4nm和10nm工藝。最近外媒報道，IBM采用EUV(遠紫外光刻)技術(shù)和硅鍺(SiGe)材料開(kāi)發(fā)成功了7nm芯片，可容納200億個(gè)晶體管，面積比10nm工藝縮小近一半，《紐約時(shí)報》最初即以“IBM Announces Computer Chips More Powerful than Any in Existence為題發(fā)表了報道，有些媒體更直言“IBM打了英特爾的臉”。實(shí)際上，IBM的產(chǎn)品還僅處于實(shí)驗室階段，而人們早在3年前就耳聞?dòng)⑻貭栆验_(kāi)始了7nm和5nm工藝的研發(fā)，在今年的ISSCC(國際固態(tài)電路會(huì )議)上，英特爾高級研究人員表示將在2018年前推出7nm工藝產(chǎn)品。既便如此，人們都已看到摩爾定律前進(jìn)的腳步在大大放慢。

　　業(yè)界大多人士已承認摩爾定律正走向終極!2014年在加州召開(kāi)的“IEEE Technology Time Machine(TTM)2014”(2014年美國電氣電子工程師協(xié)會(huì )未來(lái)技術(shù)設備)研討會(huì )上，與會(huì )專(zhuān)家學(xué)者認為，摩爾定律不一定已達終點(diǎn)，但正接近終點(diǎn)?；谀柖傻母咚偌夹g(shù)發(fā)展已不可能，今后必須推翻舊傳統，探索新技術(shù)，尋求新機遇。預計今后20年內將引入“后CMOS”的新器件和非諾伊曼計算機結構，值得注意的技術(shù)有量子計算機、大數據、碳納米管及仿(人)腦技術(shù)等。就在這個(gè)會(huì )上，摩爾本人也說(shuō)：“我認為摩爾定律將在下個(gè)10年左右告終”。博通公司首席技術(shù)官(CTO)Henry Samueli在紀念以太網(wǎng)誕生40周年的大會(huì )上對半導體業(yè)的前景作了展望，他說(shuō)：“摩爾定律日漸接近終點(diǎn)，所剩下的時(shí)間大約也就15年了。標準的硅CMOS晶體管的微細化停滯在5nm上下，再后的進(jìn)步怕已難以見(jiàn)到?！?/p>

　　就在筆者審閱本文時(shí)，《金融時(shí)報》7月中旬以《英特爾CEO：摩爾定律即將終結》為題的報道指出，摩爾此前曾表示：“這一定律能持續正確如此長(cháng)的時(shí)間令人驚訝。最初的預言只關(guān)注了10年，我當時(shí)認為這已經(jīng)是一段漫長(cháng)的時(shí)間。然而，這樣的定律持續了50年，這令人驚嘆。但未來(lái)某天，這一定律將會(huì )失效?！爆F任Intel公司CEO Brian Krzanich 也警告稱(chēng)，摩爾定律即將走向終結!可見(jiàn)最堅定守護摩爾定律的Intel公司面對現實(shí)，終于改口了。且公司有實(shí)際行動(dòng)，它于6月初以167億美元巨資收購了生產(chǎn)FPGA的巨擘Altera公司，FPGA(現場(chǎng)可編輯門(mén)陣列)是可作為類(lèi)似GPU(圖形處理器)一樣的加速技術(shù)整合進(jìn)CPU的，也就是將CPU和FPGA整合在一起了。原因無(wú)非是摩爾定律失速，CPU的頻率已登頂，集成度已很難繼續提高。一句話(huà)，如若單單依靠摩爾定律，產(chǎn)品性能已無(wú)法提高，不得不說(shuō)這是公司看到“后摩爾定律”時(shí)代后的一項重大應對措施。

　　《日經(jīng)電子學(xué)》近期也以《再見(jiàn)吧!摩爾定律》為題來(lái)紀念其50周年，文章說(shuō)：(摩爾定律)作為電子產(chǎn)業(yè)持續成長(cháng)的基礎，如今已近黃昏，今后沿著(zhù)摩爾定律提高集成度之路已走到盡頭的半導體產(chǎn)品將漸漸發(fā)展多樣化。但業(yè)界并不悲觀(guān)，認為未來(lái)將迎來(lái)“創(chuàng )新的時(shí)代!”“既不能再仰賴(lài)器件尺寸的縮小，那就開(kāi)始多姿多采的技術(shù)進(jìn)步吧!”后摩爾定律時(shí)代足以引起業(yè)界極度注目的技術(shù)大致有：

　　3D化

　　走在微細化工藝最前列的NAND閃存，目前平面NAND大公司的加工工藝已達1X的水平，普遍認為10nm將達于終極(圖4)，以后則將走3D化道路。3D化NAND的概念是東芝公司于2007年提出的，量產(chǎn)則是三星公司率先施行的，2013年大量生產(chǎn)2位/單位的128Gb產(chǎn)品，2015年發(fā)表了3位/單元的128Gb產(chǎn)品，其他公司將于2015年～2016年相繼開(kāi)始量產(chǎn)，成為近期主流產(chǎn)品技術(shù)。