《自然》雜志：摩爾定律這次真的到頭了！

　　50年前，戈登·摩爾對(duì)芯片行業(yè)的發(fā)展發(fā)出預(yù)言：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，硅芯片的性能每隔18-24個(gè)月便會(huì)提升一倍。但就在上周，全球最知名的學(xué)術(shù)刊物《自然》雜志上一篇文章寫(xiě)道，下個(gè)月即將出版的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖，不再以摩爾定律為目標(biāo)了。芯片行業(yè)50年的神話終于被打破了。

　　1965年，Intel聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾提出了他著名的理論：半導(dǎo)體芯片上可集成的元器件的數(shù)目每12個(gè)月便會(huì)增加一倍。也就是說(shuō)，同樣規(guī)格的芯片的成本，每12個(gè)月便會(huì)降低一半。1965年每個(gè)芯片可以容納50個(gè)晶體管，摩爾預(yù)測(cè)到了1970年，每個(gè)芯片將能夠容納1000個(gè)元器件，每個(gè)晶體管的價(jià)格會(huì)降低90%。

　　經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，這個(gè)發(fā)現(xiàn)被歸納成了“摩爾定律”：每個(gè)芯片上晶體管的數(shù)目每12個(gè)月將會(huì)增加一倍。

　　戈登·摩爾的發(fā)現(xiàn)不基于任何特定的科學(xué)或工程理論，只是真實(shí)情況的影射總結(jié)。硅芯片行業(yè)注意到了這個(gè)定律，沒(méi)有簡(jiǎn)單把它當(dāng)作一個(gè)描述的、預(yù)言性質(zhì)的觀察，而是作為一個(gè)說(shuō)明性的，重要的規(guī)則，整個(gè)行業(yè)努力的目標(biāo)。

　　實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)并非只靠運(yùn)氣。硅芯片的制造是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，用到了來(lái)自許多不同公司的機(jī)械、軟件以及原材料。為了保證所有的下游公司都能保持一致，并維持與摩爾定律兼容的時(shí)間表，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)布了滿足摩爾定律的預(yù)期技術(shù)及轉(zhuǎn)型路線圖。

　　半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)是一個(gè)位于北美的組織，成員包括Intel、AMD、臺(tái)積電、GlobalFoundries、IBM等公司，他們從1992年就開(kāi)始制定路線圖，1998年SIA與全球其他類似的組織都聯(lián)合了起來(lái)，一起制作國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)。最新一版路線圖發(fā)布于2013年。

　　關(guān)于摩爾定律最初計(jì)算存在的問(wèn)題早在1975年就出現(xiàn)過(guò)。根據(jù)可獲取的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，戈登·摩爾將定律中的翻倍時(shí)間修改為24個(gè)月。就這樣，在后來(lái)的30年時(shí)間里，簡(jiǎn)單的幾何比例縮小(使芯片上所有元器件越來(lái)越小)就保證了穩(wěn)速的收縮，驗(yàn)證了摩爾的預(yù)測(cè)。

　　到了2000年，顯然幾何比例到頭了，但是各種技術(shù)手段的發(fā)明使得該行業(yè)的發(fā)展跟上了摩爾定律的步伐。在90納米時(shí)，應(yīng)變硅發(fā)明了;45納米時(shí)，增加每個(gè)晶體管電容的分層堆積在硅上的新材料發(fā)明了;22納米時(shí)，三柵極晶體管的出現(xiàn)保證了縮小的步伐。

　　雖然有了這些新技術(shù)，行業(yè)依然觸到了天花板。將光刻過(guò)程用于芯片，把芯片形式轉(zhuǎn)換成硅片一直受到相當(dāng)大的壓力：目前，波長(zhǎng)193納米的光波被用來(lái)制造14納米的芯片。其他波長(zhǎng)的光波不是不可實(shí)現(xiàn)，只是徒增了制造過(guò)程的復(fù)雜性和成本。期待了很久的極短紫外線(extremeUV)，波長(zhǎng)13.5納米，可以解決這個(gè)約束，但技術(shù)工程師已經(jīng)證明EUV的批量生產(chǎn)尚有困難。

　　即使有了EUV，也很難確定又能改變多少：在2納米下，晶體管只有10個(gè)原子寬，在這么小的范圍不可能正常操作。

　　即使這些問(wèn)題都解決了，能源的使用和散熱問(wèn)題又凸顯出來(lái)了：由于晶體管更輕薄了，散熱變得更加困難。

　　像應(yīng)變硅和三柵極晶體管等新技術(shù)，從研發(fā)到投入生產(chǎn)花了十多年，而EUV經(jīng)歷了這么長(zhǎng)時(shí)間還是紙上談兵。

　　除此之外還有一個(gè)與摩爾定律相對(duì)的洛克定律(Rock's law)，強(qiáng)調(diào)了生產(chǎn)中的成本因素。通過(guò)觀察可知，芯片制造廠商的成本每4年便會(huì)增加一倍。技術(shù)的進(jìn)步以不斷為片上晶體管數(shù)量的增加鋪平道路，但是芯片生產(chǎn)設(shè)施的建造會(huì)十分昂貴，而更小、更便宜的處理器的使用還在不斷增加。

　　最近，這些因素對(duì)芯片公司的影響越來(lái)越嚴(yán)重。Intel原計(jì)劃2016年推出14納米Skylakes的縮小版——10納米Cannonlake處理器。但在去年7月，他們跳票了，將計(jì)劃更改為仍然采用14nm處理器的Kaby Lake。Cannonlake和10nm仍在計(jì)劃內(nèi)，但估計(jì)要等到2017年下半年。

　　目前的問(wèn)題是晶體管的數(shù)量邊際效用開(kāi)始遞減：多出來(lái)的晶體管利用率變低了。在20世紀(jì)80、90年代，晶體管增多產(chǎn)生的價(jià)值是顯而易見(jiàn)的：奔騰系列的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了486，奔騰II又比奔騰更快，等等。處理器的升級(jí)使當(dāng)前工作負(fù)載獲得實(shí)質(zhì)性的加速，包括處理器組合方式的進(jìn)步(從簡(jiǎn)單順序處理變?yōu)閺?fù)雜超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)無(wú)序處理)和響應(yīng)速度的提升。

　　從2000年開(kāi)始這些簡(jiǎn)單的改善就停滯不前了。受熱量、響應(yīng)速度的限制，每個(gè)處理器內(nèi)核的性能只有微少增加。我們所看到的都是一個(gè)芯片內(nèi)具有多個(gè)處理器內(nèi)核。這增加了處理器整體的理論性能，但實(shí)際上很難應(yīng)用于軟件的改善。

　　這些困難意味著以摩爾定律為驅(qū)動(dòng)的路線圖走到了盡頭。2014年，ITRS宣布其下一版路線圖將不再受制于摩爾定律。

　　《Nature》中寫(xiě)道，下個(gè)月即將出版的ITRS路線圖，將采取全新的方法。

　　新的路線圖不再是專注于芯片中使用的技術(shù)，而是將采取一種叫做“新摩爾”的方法。

　　智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展意味著不同的傳感器和低功耗處理器對(duì)芯片公司來(lái)說(shuō)更加重要。這些設(shè)備使用的高度集成芯片意味著它需要的處理器不僅是邏輯和緩存，也包括內(nèi)存、功率調(diào)節(jié)、GPS模擬組件、電池以及Wi-Fi無(wú)線通信，甚至還有陀螺儀和加速表等微機(jī)電組件。

　　這些不同種類的組件通常采用不同的制造工藝來(lái)處理不同的需求，而新的路線圖將規(guī)劃出如何將這些都綜合起來(lái)。集成不同的生產(chǎn)流程，處理不同的材料，都需要新的流程和支撐技術(shù)。對(duì)于芯片制造商來(lái)說(shuō)，為這些新市場(chǎng)生產(chǎn)芯片、解決相關(guān)問(wèn)題，顯然比盲目地忙于增加晶體管數(shù)量強(qiáng)多了。

　　除了目前使用的硅CMOS工藝，新的技術(shù)也會(huì)受到矚目。Intel已經(jīng)宣布將在7納米放棄硅。銻化銦(InSb)和銦砷化鎵(InGaAs)技術(shù)都已經(jīng)證實(shí)了可行性，并且兩者都比硅轉(zhuǎn)換速度高、耗能少。碳，包括納米管和石墨烯目前都處在實(shí)驗(yàn)室階段，可能性能會(huì)更好。

　　當(dāng)然，新的路線圖并沒(méi)有完全放棄原本的幾何縮減方式。除了三柵極晶體管，也許到2020年左右，會(huì)出現(xiàn)采用柵完全包圍的晶體管和納米線。到21世紀(jì)20年代中期可能會(huì)有整體三維芯片，一塊硅上多層組件就構(gòu)成了一個(gè)單芯片。

　　至于未來(lái)，大規(guī)模擴(kuò)展也不會(huì)完全離開(kāi)。替代材料的使用，不同的量子效應(yīng)，甚至更多的外來(lái)技術(shù)，例如超導(dǎo)，都可能提供一種簡(jiǎn)單的擴(kuò)展方式又可以用上幾十年，當(dāng)然也可能是比過(guò)去十五年更復(fù)雜的擴(kuò)展方式。如果出現(xiàn)了足夠的突破，我們對(duì)處理器的需求都有可能發(fā)生改變——不再要求更快、更小或更低能耗。