《自然》雜志：摩爾定律這次真的到頭了！

　　50年前，戈登·摩爾對芯片行業(yè)的發(fā)展發(fā)出預(yù)言：當價格不變時，硅芯片的性能每隔18-24個月便會提升一倍。但就在上周，全球最知名的學(xué)術(shù)刊物《自然》雜志上一篇文章寫道，下個月即將出版的國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖，不再以摩爾定律為目標了。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個月便會增加一倍。也就是說，同樣規(guī)格的芯片的成本，每12個月便會降低一半。1965年每個芯片可以容納50個晶體管，摩爾預(yù)測到了1970年，每個芯片將能夠容納1000個元器件，每個晶體管的價格會降低90%。

　　經(jīng)過簡化，這個發(fā)現(xiàn)被歸納成了“摩爾定律”：每個芯片上晶體管的數(shù)目每12個月將會增加一倍。

　　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，只是真實情況的影射總結(jié)。硅芯片行業(yè)注意到了這個定律，沒有簡單把它當作一個描述的、預(yù)言性質(zhì)的觀察，而是作為一個說明性的，重要的規(guī)則，整個行業(yè)努力的目標。

　　實現(xiàn)這個目標并非只靠運氣。硅芯片的制造是一個復(fù)雜的過程，用到了來自許多不同公司的機械、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(SIA)是一個位于北美的組織，成員包括Intel、AMD、臺積電、GlobalFoundries、IBM等公司，他們從1992年就開始制定路線圖，1998年SIA與全球其他類似的組織都聯(lián)合了起來，一起制作國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)。最新一版路線圖發(fā)布于2013年。

　　關(guān)于摩爾定律最初計算存在的問題早在1975年就出現(xiàn)過。根據(jù)可獲取的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，戈登·摩爾將定律中的翻倍時間修改為24個月。就這樣，在后來的30年時間里，簡單的幾何比例縮小(使芯片上所有元器件越來越小)就保證了穩(wěn)速的收縮，驗證了摩爾的預(yù)測。

　　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，應(yīng)變硅發(fā)明了;45納米時，增加每個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，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。將光刻過程用于芯片，把芯片形式轉(zhuǎn)換成硅片一直受到相當大的壓力：目前，波長193納米的光波被用來制造14納米的芯片。其他波長的光波不是不可實現(xiàn)，只是徒增了制造過程的復(fù)雜性和成本。期待了很久的極短紫外線(extremeUV)，波長13.5納米，可以解決這個約束，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個原子寬，在這么小的范圍不可能正常操作。

　　即使這些問題都解決了，能源的使用和散熱問題又凸顯出來了：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)歷了這么長時間還是紙上談兵。

　　除此之外還有一個與摩爾定律相對的洛克定律(Rock's law)，強調(diào)了生產(chǎn)中的成本因素。通過觀察可知，芯片制造廠商的成本每4年便會增加一倍。技術(shù)的進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，這些因素對芯片公司的影響越來越嚴重。Intel原計劃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，將計劃更改為仍然采用14nm處理器的Kaby Lake。Cannonlake和10nm仍在計劃內(nèi)，但估計要等到2017年下半年。

　　目前的問題是晶體管的數(shù)量邊際效用開始遞減：多出來的晶體管利用率變低了。在20世紀80、90年代，晶體管增多產(chǎn)生的價值是顯而易見的：奔騰系列的速度遠遠超過了486，奔騰II又比奔騰更快，等等。處理器的升級使當前工作負載獲得實質(zhì)性的加速，包括處理器組合方式的進步(從簡單順序處理變?yōu)閺?fù)雜超標量體系結(jié)構(gòu)無序處理)和響應(yīng)速度的提升。

　　從2000年開始這些簡單的改善就停滯不前了。受熱量、響應(yīng)速度的限制，每個處理器內(nèi)核的性能只有微少增加。我們所看到的都是一個芯片內(nèi)具有多個處理器內(nèi)核。這增加了處理器整體的理論性能，但實際上很難應(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》中寫道，下個月即將出版的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芯片公司來說更加重要。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無線通信，甚至還有陀螺儀和加速表等微機電組件。

　　這些不同種類的組件通常采用不同的制造工藝來處理不同的需求，而新的路線圖將規(guī)劃出如何將這些都綜合起來。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)。對于芯片制造商來說，為這些新市場生產(chǎn)芯片、解決相關(guān)問題，顯然比盲目地忙于增加晶體管數(shù)量強多了。

　　除了目前使用的硅CMOS工藝，新的技術(shù)也會受到矚目。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驗室階段，可能性能會更好。

　　當然，新的路線圖并沒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，會出現(xiàn)采用柵完全包圍的晶體管和納米線。到21世紀20年代中期可能會有整體三維芯片，一塊硅上多層組件就構(gòu)成了一個單芯片。

　　至于未來，大規(guī)模擴展也不會完全離開。替代材料的使用，不同的量子效應(yīng)，甚至更多的外來技術(shù)，例如超導(dǎo)，都可能提供一種簡單的擴展方式又可以用上幾十年，當然也可能是比過去十五年更復(fù)雜的擴展方式。如果出現(xiàn)了足夠的突破，我們對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。