摩爾定律：始于半導(dǎo)體 終于物理極限？

　　在信息技術(shù)發(fā)展浪潮中，浪潮涌起的高度的衡量一度成為業(yè)界的“心患”。換句話說，如何估量信息技術(shù)進(jìn)步的速度成了困擾業(yè)內(nèi)人士許久的難題。籍此背景之下，英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾通過大量數(shù)據(jù)調(diào)研整理，于1965年，正式提出“摩爾定律”。迄今為止，此定律已歷經(jīng)了半世紀(jì)風(fēng)雨，對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，更是產(chǎn)生了不可磨滅的作用。

　　何為“摩爾定律”?

　　在文章《讓集成電路填滿更多的組件》中，摩爾預(yù)言，半導(dǎo)體芯片中集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍。隨后不久，摩爾另外撰寫論文聲明，將“每年增加一倍”修改為“每兩年增加一倍”。詳細(xì)地說，摩爾定律即為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，半導(dǎo)體芯片中可容納的元器件數(shù)目，約兩年便會(huì)增加一倍，其性能也將同比提升。

　　當(dāng)然，通過后來數(shù)十年的數(shù)據(jù)證明，半導(dǎo)體芯片中可容納的元器件數(shù)目，約18個(gè)月便將增加一倍(即摩爾前后預(yù)測(cè)的平均值)。對(duì)于此，摩爾表示，他并未提過“每18個(gè)月增加一倍”推論，而且根據(jù)其數(shù)據(jù)圖顯示，這個(gè)變化周期便是24個(gè)月。

　　事實(shí)上，作為一種對(duì)發(fā)展趨勢(shì)的分析預(yù)測(cè)規(guī)則，摩爾定律一直在質(zhì)疑與自我證明中徘徊。由于集成度與晶體管價(jià)格成反比的特性，使得摩爾定律成為了經(jīng)濟(jì)學(xué)效益的一種推測(cè)手段。以晶圓廠生產(chǎn)IC為例，在制程技術(shù)不斷進(jìn)步的前提下，每隔18個(gè)月，IC的產(chǎn)量將提升一倍，換個(gè)角度來看，其成本將降低50%。與此同時(shí)，在半導(dǎo)體行業(yè)制程技術(shù)發(fā)展的過程中，摩爾定律漸漸成為衡量半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展腳步的一道標(biāo)桿，如果每個(gè)18個(gè)月半導(dǎo)體企業(yè)的制程工藝未達(dá)到摩爾定律預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)，那么對(duì)不起，有可能你已經(jīng)“Out”了(即落后于目前半導(dǎo)體行業(yè)的平均水平)，從這方面來看，這種推測(cè)方式對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益研究起到了一種良好的輔助作用。

　　摩爾定律的質(zhì)疑與自我證明

　　迄今為止，摩爾定律“問世”已然五十載有余，在半導(dǎo)體芯片制程工藝水平飛速提升的同時(shí)，人們不禁有些疑問，半導(dǎo)體芯片單位面積可集成的元件數(shù)量最終將達(dá)到多少?摩爾定律會(huì)一直存在下去嗎?

　　其實(shí)，半導(dǎo)體芯片單位面積可集成的元件數(shù)量最終將達(dá)到多少這個(gè)問題并沒有明確的答案，但據(jù)專家預(yù)測(cè)，半導(dǎo)體芯片制程工藝的物理極限為2-3nm，以此推算，摩爾定律似乎也只能“存活”10年之久。

　　摩爾定律會(huì)不會(huì)過時(shí)?摩爾定律還能生產(chǎn)多久?這個(gè)話題已經(jīng)探討了數(shù)十年之久，比如當(dāng)半導(dǎo)體芯片主流制程技術(shù)為90nm時(shí)，有人認(rèn)為45nm將成為物理極限;當(dāng)制程技術(shù)達(dá)到45nm時(shí)，有的觀點(diǎn)認(rèn)為22nm將成為極限。有句俗語叫作“好刀不怕磨”，摩爾定律正是這把好刀。

　　那么何為物理極限呢?從技術(shù)方面來看，隨著晶體管尺寸的不斷縮小，源極和漏級(jí)之間的漏電現(xiàn)像會(huì)增大，從而導(dǎo)致晶體管無法正常工作?；诖谁h(huán)境之下，三星推出的3D晶體管技術(shù)，很好的解決了此問題，這也使得制程工藝再進(jìn)一步，從而逐漸達(dá)到如今的10nm。

　　在今年9月份舉辦的“英特爾精尖制造日”峰會(huì)中，英特爾以14nm和10nm制程工藝為例，通過其晶體管密度以及成本對(duì)比，再一次體現(xiàn)出了摩爾定律的準(zhǔn)確度。英特爾高級(jí)院士、技術(shù)與制造事業(yè)部制程架構(gòu)與集成總監(jiān)Mark Bohr也表示，在技術(shù)層面，英特爾依舊堅(jiān)守Tick-Tock戰(zhàn)略，這也是摩爾定律最好的體現(xiàn)。

　　摩爾定律的影響

　　起初，摩爾定律的提出只為預(yù)測(cè)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，但是隨著其在半導(dǎo)體行業(yè)的聲名鵲起，外界各行各業(yè)對(duì)于競相仿效，從而衍生出多版本的“摩爾定律”，其深遠(yuǎn)影響使我們的生活獲益良多。

　　在經(jīng)濟(jì)方面，隨著制程工藝的逐漸提升，晶體管體積也越來越小，但性能卻得到了較大的提升，成本也隨之不斷降低。

　　在技術(shù)方面，摩爾的推演總結(jié)將復(fù)雜、昂貴的計(jì)算普及為生活的必需品，從數(shù)據(jù)分析，目前這些的創(chuàng)新都源于摩爾的發(fā)現(xiàn)。

　　在社會(huì)影響方面，計(jì)算的普及改變了我們的生活方式，也推動(dòng)了科技以及社會(huì)的發(fā)展，這對(duì)于各行各業(yè)來說，都是一大幸事。

　　摩爾定律會(huì)否消亡?

　　事實(shí)上，自摩爾定律被推出后，其存亡時(shí)間一直是業(yè)界所爭論不休的話題。以如今來說，當(dāng)半導(dǎo)體行業(yè)無數(shù)業(yè)內(nèi)人士發(fā)聲表示，摩爾定律將消亡時(shí)，科技界卻爆出一則驚人消息：1nm制程工藝“問世”。這則消息是由勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室傳出的，其實(shí)驗(yàn)室研究人員阿里·加維表示：“此項(xiàng)研究說明，我們的晶體管將不再局限5nm柵極，如果使用適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料，摩爾定律將繼續(xù)有效。”

　　據(jù)了解，加維所說的適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料為二硫化鉬，硅材料在柵極長度為5nm甚至更長時(shí)，其優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯，但其柵極長度在5nm之下時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生“隧道效應(yīng)”，從而阻止電流從源極流向漏極。這種情況將會(huì)使電子失控，無法達(dá)到我們想要的效果。而二硫化鉬則有所不同，在此環(huán)境之下，它流動(dòng)的電子更重，所以可以通過更短的柵極來控制電流從源極流向漏極。通過一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)試，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室研究人員摒棄傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，選擇1nm的碳納米管作為柵極，從而更好的配合二硫化鉬晶體管控制其電子流動(dòng)。

　　這則實(shí)驗(yàn)研究成果再次證明了摩爾定律依舊存在，而從目前來看，似乎摩爾定律的消亡直接取決于半導(dǎo)體芯片制程工藝的物理極限。如果半導(dǎo)體芯片制程工藝未達(dá)極限，那么摩爾定律將一直“活著”。其實(shí)，摩爾定律雖然源于半導(dǎo)體行業(yè)，但并不會(huì)終止于半導(dǎo)體行業(yè)，其思想與觀點(diǎn)奠定了所有現(xiàn)代技術(shù)豐富的基礎(chǔ)，其創(chuàng)新的相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)完美的與我們生活融合在一起。未來，它將代表一種趨勢(shì)一直存在于物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療以及教育等各個(gè)領(lǐng)域。