摩爾定律：我這一輩子（下）

　　改變正在發(fā)生

　　這種改變其實(shí)已經(jīng)開始了，因?yàn)榫w管小型化所帶來的好處正逐步減少。這個(gè)趨勢(shì)出現(xiàn)在 2000 年左右，在那時(shí)一種令人并不愉快的現(xiàn)實(shí)逐步顯現(xiàn)出來。在當(dāng)時(shí)，晶體管的尺寸已經(jīng)開始縮小到 100 納米以下，根據(jù) Dennard 此前提出的縮放比例定律，縮減法則已經(jīng)達(dá)到了極限。晶體管的體積變得如此微小，這使得電子設(shè)備即使在關(guān)閉時(shí)也會(huì)漏電，這不僅讓電子設(shè)備耗能嚴(yán)重，也降低其可靠性。雖然人們使用新材料和新的工藝方法來解決該問題，但是工程師們?yōu)榱吮３旨尚酒男阅?，還是不得不停止了大幅度降低每個(gè)晶體管電壓的做法。

　　因?yàn)榭s放比例定律已經(jīng)不再適用，是否要繼續(xù)縮小晶體管尺寸就需要權(quán)衡了。讓晶體管體積變得更小，不再意味著其運(yùn)作效率有所提升。事實(shí)上，在今天想要像以往一樣縮小晶體管同時(shí)讓其保持相同的運(yùn)作速度與功耗是十分困難的。

　　正因?yàn)槿绱耍诮暌詠恚?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/摩爾定律">摩爾定律更多關(guān)注的是成本問題而不是性能問題，別忘了，我們之所以要將晶體管變得更小還是為了讓它更便宜。這并不是說如今的微處理器不如 5 年或者 10 年前產(chǎn)品的性能好。雖然針對(duì)集成芯片的設(shè)計(jì)工藝不斷提升，但是性能方面的進(jìn)步大部分還是源于更為廉價(jià)的晶體管所帶來的多核集成。

　　集成芯片的成本問題越來越引人注目，這也是摩爾定律中重要且不被人注意的方面：隨著晶體管越變?cè)叫?，我們能夠年?fù)一年保持用硅晶片制成的每平方厘米的集成芯片成本不變。摩爾推算出制造 1 英畝(約 4046 平方米)大小的集成芯片大概要花費(fèi) 10 億美元，不過芯片制造商很少在計(jì)算成本時(shí)會(huì)用面積做為參考標(biāo)準(zhǔn)。

　　在近十年來，想要讓硅晶片的成本保持不變開始變得困難。因?yàn)橄胍鋬r(jià)格保持不變，就需要有穩(wěn)定的產(chǎn)量來支撐。在上世紀(jì) 70 年代硅晶片在集成芯片中的成本中只占 20% 左右，而如今已經(jīng)提高到了 80%-90%。硅晶片是一種圓形的硅材料，可以被切割成芯片。大規(guī)模生產(chǎn)使得制造硅晶片所需的多個(gè)如摻雜和蝕刻這樣的工序成本降低。更為重要的是，設(shè)備生產(chǎn)率大幅提升了。由于生產(chǎn)工具與生產(chǎn)工藝的提升，硅晶片在制造速度提高的同時(shí)其性能也得到了提升。

　　有三個(gè)因素決定了這一現(xiàn)實(shí)：不斷提升的產(chǎn)量、更大的硅晶片以及不斷提高的設(shè)備生產(chǎn)力。這一切使得芯片制造商在近十年來能夠制造出電子元件分布密度越來越大的集成芯片，并且能夠通過降低晶體管的價(jià)格來保持生產(chǎn)成本不變。不過時(shí)至今日，這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)也即將走到盡頭，因?yàn)槲g刻工藝變得越來越昂貴。

　　在過去的十年中，針對(duì)硅晶片的光刻工藝變得越來越復(fù)雜，這使得硅晶片的制造成本不斷提升，其成本增加速度大約是每年提高 10%。不過因?yàn)榕c此同時(shí)晶體管的體積每年約縮小 25%，針對(duì)每個(gè)晶體管來看其成本是降低了，但是在同一時(shí)間中總體制造成本的增長(zhǎng)速度超過了晶體管的成本降低速度。因此，下一代的晶體管將比過去的更貴。

　　如果光刻成本繼續(xù)快速增長(zhǎng)，我們所熟知的摩爾定律將很快走到終點(diǎn)。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些這樣的跡象。在今天先進(jìn)的芯片通常使用了沉浸式光刻技術(shù)，浸入式技術(shù)利用長(zhǎng)波紫外線光通過液體介質(zhì)后光源波長(zhǎng)縮短來提高分辨率。人們想要使用短波紫外線來對(duì)該技術(shù)進(jìn)行改造，當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)該技術(shù)可以在 2004 年投入使用，但是實(shí)際上其進(jìn)入實(shí)際運(yùn)用的時(shí)間一直被推遲。這就使得芯片制造商不得不轉(zhuǎn)而繼續(xù)研發(fā)能夠提高性能的雙重圖形模式，然而相比單一圖形模它所耗費(fèi)的制作時(shí)間也增加了 1 倍。芯片制造商還在試圖開發(fā)出三重或者四重圖形模式，這當(dāng)然會(huì)進(jìn)一步提高生產(chǎn)成本。幾年后當(dāng)我們回顧 2015 年，將發(fā)現(xiàn)可能正是從這一年開始，晶體管的制作成本不再持續(xù)下降，而是不斷攀升。

　　回顧了摩爾定律五十年來的發(fā)展，展望未來，半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新還將持續(xù)，不過這種創(chuàng)新很可能并不是系統(tǒng)性地降低晶體管的成本，而是在集成方面取得新進(jìn)展：在一個(gè)單獨(dú)芯片上集合各種不同的功能以降低系統(tǒng)成本。這聽上去很像是摩爾定律 1.0 的時(shí)代的邏輯，但是在這種情況下我們并不是僅僅將不同邏輯的芯片集合在一起成為一塊更大的芯片，而是將在歷史上一直獨(dú)立于硅片之外的非邏輯功能加入其中。

　　在這方面的早期嘗試就是現(xiàn)代手機(jī)中的攝像頭功能，它通過硅穿孔將一個(gè)圖像傳感器直接集合到數(shù)字信號(hào)處理器上。在這之后還會(huì)出現(xiàn)更多此類例子。集成芯片的設(shè)計(jì)者們已經(jīng)開始探索如何對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行集成，這種技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn)將可以制造出微型加速計(jì)、陀螺儀乃至繼電器邏輯。這同樣適用于制造可以進(jìn)行生物測(cè)定與環(huán)境測(cè)試的微流體傳感器。

　　所有這些技術(shù)都將使用戶能夠直接通過數(shù)字 CMOS 來連接外部，模擬這個(gè)世界。如果這種新的傳感器和制動(dòng)器能夠以較低成本大規(guī)模生產(chǎn)，將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　這個(gè)被稱作摩爾定律 3.0 的階段以及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的其他創(chuàng)新發(fā)展可能會(huì)產(chǎn)生「超越摩爾」的效果，但是可能并不經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。將非標(biāo)準(zhǔn)化電子元件集成到一個(gè)芯片之中可能會(huì)帶來許多令人興奮的結(jié)果，比如創(chuàng)造新產(chǎn)品或者是增加新的功能。但是這種發(fā)展并不是有規(guī)律可循的，我們無法對(duì)其成功的路線圖進(jìn)行預(yù)測(cè)。

　　由此看開，電子產(chǎn)業(yè)的前進(jìn)道路將會(huì)更加撲朔迷離。在今天為一個(gè)芯片添加一個(gè)新功能可能會(huì)為公司帶來經(jīng)濟(jì)收益，但是誰也不能保證在明天為芯片添加另一個(gè)功能還能帶來更多的回報(bào)。毋庸置疑，對(duì)于許多半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)有的公司來說這種轉(zhuǎn)變過程會(huì)是十分痛苦的，勝負(fù)結(jié)果到現(xiàn)在還不能下定論。

　　不過我仍然認(rèn)為摩爾定律 3.0 是這個(gè)時(shí)代中最讓人激動(dòng)的定律。一旦我們得到像過去一樣容易量化的指標(biāo)，我們將看到富有創(chuàng)造力的應(yīng)用程序爆炸性地增長(zhǎng)：仿生操作將于身體無縫對(duì)接，手機(jī)可以檢測(cè)空氣質(zhì)量與水體質(zhì)量，微型傳感器將能從周邊環(huán)境獲取能量自給自足，還有很多我們想象不到的應(yīng)用將會(huì)出現(xiàn)在生活中。摩爾定律也許會(huì)逐漸退出歷史舞臺(tái)，但是它的遺產(chǎn)將會(huì)在很長(zhǎng)時(shí)間里面繼續(xù)推動(dòng)我們向前發(fā)展。