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，一直作為信息技術工業(yè)的第一定律，它不僅有力地促進了電子信息工業(yè)的快速發(fā)展，甚至深刻地改變了社會歷程和人類生活。今天摩爾定律正在接近它的終極，文章較詳細地描述了“后摩爾定律時代”的多元化技術發(fā)展。

接上期

摩爾定律的終極

　　摩爾定律簡單一點地說，就是使電子產品的更新?lián)Q代快，而且有規(guī)律可循，今天買了一臺電腦，它的性能是兩年前同等價格所買電腦的兩倍。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，那就適用于一切產業(yè)，包括汽車、航空、鋼鐵等等，事實上，電子業(yè)界的產品、所用半導體、制造設備和材料等有關廠商都以摩爾定律作為基準來制定各自的開發(fā)計劃。摩爾定律堪稱“魔術師手拿的棍子”，成為將“科幻世界”轉變?yōu)楝F(xiàn)實的原動力，技術不斷進步的源泉。

　　摩爾定律的作用如此巨大，受到了人們的無限崇拜，愛之不能釋手，似已不可一日或無。日前有外媒刊載了一篇以“五十年后摩爾定律才開始顛覆一切”為題的文章說：“4月19日是摩爾定律發(fā)表五十周年，在現(xiàn)代，摩爾定律對工業(yè)和人類社會的影響超過了其他任何事物”，“摩爾定律已經徹底改變了我們的生活”，“更加重要的是，其影響才剛剛開始，盡管摩爾本人曾說，他認為他提出的摩爾定律會在這個十年結束時失效”。

　　另一方面，業(yè)界人士對摩爾定律何時終結的討論已有數(shù)年，也有外媒前幾年就直白地說：“摩爾定律已死?重要嗎?”“業(yè)界持續(xù)討論摩爾定律終結已經有一段時間了……摩爾定律終結可能大幅改變目前的產業(yè)……美國國防部先進研究計劃署(DARPA)微系統(tǒng)技術辦公室總監(jiān)Robert Colwell(甚至)說，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年來沿用的技術永遠不發(fā)生改變地持續(xù)下去”。

　　世界萬物有始必有終，摩爾定律總有失效之時。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周年時曾說，再過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。上面說過，推進摩爾定律發(fā)展的動力是工藝微細化，1970年半導體的加工尺寸為10μm，經過40年到2005年接近50μm，縮小了200多倍，大約每3年發(fā)生一次技術變革，從0.1um后工藝微細化速度開始趨緩。大約在進入新世紀之前，工藝微細化即曾遭遇到3次所謂極限挑戰(zhàn)：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(xù)發(fā)長到今天的20nm左右。市場調研公司iSuppli在2009年曾發(fā)表一份報告指出：“1965年出現(xiàn)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，其一是技術突破難度加大，其二是成本太高無法回收。據統(tǒng)計，世界半導體業(yè)營收1960年～1995年的年均增長率達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)技術和硅鍺(SiGe)材料開發(fā)成功了7nm芯片，可容納200億個晶體管，面積比10nm工藝縮小近一半，《紐約時報》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”。實際上，IBM的產品還僅處于實驗室階段，而人們早在3年前就耳聞英特爾已開始了7nm和5nm工藝的研發(fā)，在今年的ISSCC(國際固態(tài)電路會議)上，英特爾高級研究人員表示將在2018年前推出7nm工藝產品。既便如此，人們都已看到摩爾定律前進的腳步在大大放慢。

　　業(yè)界大多人士已承認摩爾定律正走向終極!2014年在加州召開的“IEEE Technology Time Machine(TTM)2014”(2014年美國電氣電子工程師協(xié)會未來技術設備)研討會上，與會專家學者認為，摩爾定律不一定已達終點，但正接近終點?；谀柖傻母咚偌夹g發(fā)展已不可能，今后必須推翻舊傳統(tǒng)，探索新技術，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，值得注意的技術有量子計算機、大數(shù)據、碳納米管及仿(人)腦技術等。就在這個會上，摩爾本人也說：“我認為摩爾定律將在下個10年左右告終”。博通公司首席技術官(CTO)Henry Samueli在紀念以太網誕生40周年的大會上對半導體業(yè)的前景作了展望，他說：“摩爾定律日漸接近終點，所剩下的時間大約也就15年了。標準的硅CMOS晶體管的微細化停滯在5nm上下，再后的進步怕已難以見到?！?/p>

　　就在筆者審閱本文時，《金融時報》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(xù)正確如此長的時間令人驚訝。最初的預言只關注了10年，我當時認為這已經是一段漫長的時間。然而，這樣的定律持續(xù)了50年，這令人驚嘆。但未來某天，這一定律將會失效?！爆F(xiàn)任Intel公司CEO Brian Krzanich 也警告稱，摩爾定律即將走向終結!可見最堅定守護摩爾定律的Intel公司面對現(xiàn)實，終于改口了。且公司有實際行動，它于6月初以167億美元巨資收購了生產FPGA的巨擘Altera公司，F(xiàn)PGA(現(xiàn)場可編輯門陣列)是可作為類似GPU(圖形處理器)一樣的加速技術整合進CPU的，也就是將CPU和FPGA整合在一起了。原因無非是摩爾定律失速，CPU的頻率已登頂，集成度已很難繼續(xù)提高。一句話，如若單單依靠摩爾定律，產品性能已無法提高，不得不說這是公司看到“后摩爾定律”時代后的一項重大應對措施。

　　《日經電子學》近期也以《再見吧!摩爾定律》為題來紀念其50周年，文章說：(摩爾定律)作為電子產業(yè)持續(xù)成長的基礎，如今已近黃昏，今后沿著摩爾定律提高集成度之路已走到盡頭的半導體產品將漸漸發(fā)展多樣化。但業(yè)界并不悲觀，認為未來將迎來“創(chuàng)新的時代!”“既不能再仰賴器件尺寸的縮小，那就開始多姿多采的技術進步吧!”后摩爾定律時代足以引起業(yè)界極度注目的技術大致有：

　　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，量產則是三星公司率先施行的，2013年大量生產2位/單位的128Gb產品，2015年發(fā)表了3位/單元的128Gb產品，其他公司將于2015年～2016年相繼開始量產，成為近期主流產品技術。