摩爾定律，是生存還是毀滅？

摩爾定律

• 內容

當價格不變時，集成電路上可容納的器件數目每兩年（摩爾的說法）或18個月（David House的說法）就會增加一倍，性能也隨之增加一倍。

• 歷史

英特爾公司的創始人之一戈登·摩爾，時任仙童半導體公司（Fairchild Semiconductor）工程師，於1965年4月19日在《電子學》雜誌（Electronics Magazine）發表了一篇論文，文中預言半導體晶元上的晶體管和電阻數量每年都將增加一倍。

而後來，由於晶元上增加更多的晶體管，會帶來成本的增加，所以摩爾在根據當時的實際情況，將「每年增加一倍」改為「每兩年增加一倍」。而隨後，英特爾的高管David House，又將這個時間改為了18個月。

• 意義

過去幾十年來，半導體行業發展的實踐證明，摩爾定律是準確而穩定的。

許多半導體公司都會利用摩爾定律，設定長期規劃和研發目標。可是，由於晶元開發和生產過程極其複雜，所以靠單一公司是無法完成這項艱巨任務的，這就需要多家公司的設備、軟體、原材料等資源的協同和合作。

上世紀90年代以來，半導體行業每兩年就會發布一份行業研發規劃藍圖「國際半導體技術路線圖」，協調成百上千家晶元設計商、製造商、供應商等等，讓整個信息產業都伴隨著摩爾定律的步伐前進。

摩爾定律體現出了半導體行業發展的趨勢：計算機集成度越來越高、體積越來越小、晶體管價格越來越低。

如同摩爾定律所預言，半導體技術的不斷進步，實現了集成電路和晶元，隨之帶來了個人電腦，又進一步孕育並帶動了智能手機、智能硬體、智能穿戴、智能家居、車聯網、物聯網、無人駕駛、人工智慧等等新興產業，可以稱之為「摩爾定律的經濟效應」。

動力

半導體領域的很多創新和發明，都成為了摩爾定律保持活力的關鍵因素。下面列舉出了過去幾十年來的一些列十分重要的關鍵創新，我稱之為摩爾定律的動力，或者比喻成摩爾定律保持生機的能量來源吧：

• 集成電路

集成電路（integrated circuit）是一種微型電子器件，通過一定的工藝，把電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，製作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然後封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構。

傑克·基爾比（Jack Kilby）和羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）在1958~1959年期間，分別發明了鍺集成電路和硅集成電路，而後來硅集成電路後來得到了大規模應用。

原來的方式是將晶體管、電阻和電容等元器件都安裝在一塊電路板上，體積龐大且笨重，而集成電路改變這一狀況，帶來小型化和實用化。

• CMOS

CMOS，是Complementary Metal Oxide Semiconductor（互補金屬氧化物半導體）的縮寫，它是指製造大規模集成電路晶元時採用的一種技術，或者用這種技術製造出來的晶元，常指保存計算機基本啟動信息（如日期、時間、啟動設置等）的晶元。在CMOS技術領域，不斷產生一些新進展，從而提升了集成電路的性能和密度。

• DRAM

DRAM，即動態隨機存取存儲器，最為常見的系統內存。DRAM 只能將數據保持很短的時間。為了保持數據，DRAM使用電容存儲，所以必須隔一段時間刷新一次，如果存儲單元沒有被刷新，存儲的信息就會丟失。這項技術使得製造單晶體管存儲單元變得可能。

另外，由於東芝1980年發明了快閃記憶體技術，從而帶來更加低成本、高容量的存儲器，並廣泛應用於各種電子產品。

• 化學放大光刻膠

光刻膠，是一種對於光和射線十分敏感的材料。此類材料主要用於微電子工業的微觀平板印刷術，如電子存儲器件和數據處理單元的製造，微型集成電路的印刷等。

所謂的化學放大，是指一個光解產酸劑PAG分解后產生的酸分子，引發一些列化學反應，這些反應能根據光刻膠曝光前後溶解能力的差異，分為正負性光刻膠。

IBM在於1980年代中期，將化學放大光刻膠技術用於DRAM的生產。

• 深紫外準分子激光光刻技術

準分子激光，是指受到電子束激發的惰性氣體和鹵素氣體結合的混合氣體，形成的分子向其基態躍遷時發射所產生的激光。

曝光，是晶元製造中最關鍵的製造工藝，而光學曝光技術是當前曝光的主流技術。為了提高解析度，光學曝光機的波長不斷縮小，從436納米、365納米的近紫外（NUV）到246 納米、193納米的深紫外（DUV）。

深紫外準分子激光光刻技術，使得集成電路的工藝水平從到1990年的800納米縮小到2016年的10納米。在此之前，受激準分子激光器主要作為研究設備使用，因為它在1970年就得以發明。準分子激光光刻技術的發明是激光應用50年來的一個里程碑。

• 化學機械平坦化製程（CMP）

CMP是一種全局平坦化技術，它通過矽片和一個拋光頭之間的相對運動來平坦化矽片表面，在矽片和拋光頭之間有磨料，並同時施加壓力。CMP設備也常稱為拋光機。由於CMP能對於矽片，進行精確並均勻拋光，使其達到所需要的厚度和平坦度。

雖然是基於古老的望遠鏡鏡面拋光技術，CMP技術被認為是實現晶圓表面局部平坦化和全局平坦化的最佳方法。

危機

雖然過去一段時間，由於以上列舉的這些關鍵動力，摩爾定律的預言不斷變成現實。但是這些年來，這一定律不斷受到挑戰，具體的挑戰者和事例都很多，我就不一一列舉了。

這裡我想要指出的是，和牛頓三大定律等物理定律不同，摩爾定律並不是自然定律，而是預測性和觀察性的，所以面臨危機很正常。

然而，我主要關心的是產生這些危機的深層次原因，主要歸納為以下三方面：

• 工藝

晶元製造的光刻技術面臨壓力，14納米晶元所用的193納米的光波長較長，而說需要的工藝複雜度較高，成本也很高。但是，13.5納米超短波長的遠紫外光雖然帶來了希望，但是其在晶元製造方面，還有種種難題需要突破。

• 發熱

由於晶元狹小的空間裡面的晶體管數量越來越多，所產生的熱量也會越來越大，發熱問題成為了嚴重的制約因素。

• 量子效應

隨著晶元製造工藝進步到10納米，甚至7納米，進入了微觀量子力學領域，電子的行為將受限於量子的不確定性，隧穿效應發生，晶體管將變得不再可靠。

由於上述因素的影響，所以就連戈登摩爾本人，在2015年接受一次專訪時也提出：

我們不會再有過去幾十年那樣的進展速度。我認為這是任何技術都無法避免的，它最終將趨於飽和。我猜我將看到摩爾定律在下一個十年走向滅亡，但是這並不令人驚訝。

出路

摩爾定律面臨種種嚴峻挑戰，很多人都持有悲觀態度，各種摩爾定律死亡、失效的話題變得紛紛攘攘。

但是，也有少部分人持有樂觀態度，其中不乏現任英特爾的CEO 布萊恩·科茲安尼克，他在今年的CES上曾經指出：

在我的職業生涯中，我已經不止一次的聽說摩爾定律要滅亡，但是今天我站在這裡想你們真正展示，並且告訴你們摩爾定律仍然活著、健康而且旺盛。

而我的觀點是：

原有的摩爾定律所表述的內容是否仍然有效，這點很值得懷疑，我覺得以前的表述可能需要更新。然而，半導體業界最近一些新的技術動態，讓我們對於摩爾定律仍抱有一線希望。更重要的是，這些前沿技術孕育著半導體晶元性能不斷提升，半導體產業進一步發展的新方法。

• 3D封裝多層晶元

這種技術將晶體管從水平結構，轉變為垂直結構並建造多層電路。目前，內存產業已經轉向了三維架構，這樣可以以減輕微型化的壓力，同時提高NAND Flash的容量。

單晶元的三維集成，通過建造多層設備，層層疊加，彼此用密集的電線相連。從二維走向三維后，晶體管數量的增加還具有很大的空間。

• 新材料的應用

英特爾已宣布，達到7納米工藝之後，將不再使用硅材料。銻化銦和銦鎵砷化合物等材料，與硅相比具有帶來更快的開關速度，而功耗也較低，所以前景看好。

另外，碳材料包括碳納米管和石墨烯，也是不錯的選擇。在許多備選材料中，石墨烯，作為二維材料，一度被看好。它能夠通過翻轉電子自旋來進行計算，而不是通過傳統的移動電子的形式，它做成的電子開關比硅材料開關的速度更快，且發熱量更小。

另外，還有新型超穎材料，這種材料將可以帶來無需半導體的微電子設備，這個概念很有意思。去年，美國加州大學聖地亞哥分校的工程師們就製造出了首個無需半導體、光學控制的微電子設備。

• 量子計算機

之前，我們說過當半導體工藝水平達到低於10納米時，就會發生量子現象。所以這個時候，成為了量子物理的世界了。

目前的晶體管開關，有兩種狀態：1 和 0。而量子計算機的晶體管卻有3種狀態：0、1 以及「同時是 0 和 1」。最後的「同時是 0 和 1」的狀態體現了量子態疊加原理，也就是薛定諤的貓所描述的狀態。

顯然，量子計算機由於多了疊加態（以及量子糾纏），運算能力會遠超普通計算機，而這項技術也正走向小型化和通用化，其性能比普通計算機要強很多。

• DNA分子

DNA分子，是計算機科學和分子生物學相結合和交叉的前沿研究領域。DNA計算演化而來的DNA計算機，與傳統電子計算機相對有著很多優勢，例如體積小、存儲量大、運算快、能耗低、并行性等。

和當今電子領域使用的硅電路不同，DNA電路的商業應用，仍然有很長的路要走。目前，「試管計算機」只能做一些有限運算，且時間運算時間較長，無法和現代個人電路或者其他傳統設備進行競爭。

但是，DNA電路比傳統硅電路，體積小很多。而且，DNA電路可以在潮濕環境中運行，有利於在血液、湯汁、狹窄的細胞內進行計算。

杜克大學在這方面也有所建樹，他們設計的合成DNA鏈，以恰當濃度在試管內進行混合，然後形成模擬電路，當分子鏈接形成和打破的時候，進行加、減、乘運算。大多數DNA電路是數字的，而該設備則通過測量不同濃度的特定DNA分子，以模擬方式進行運算，無需將特定的電路事先將其轉化為0或者1。

另外，美國喬治亞大學和以色列本古里安大學的研究人員，也演示了通過單個DNA分子製造納米級電子組件，這是一項有望代替硅晶元的更高級的技術。

還有，麻省理工學院的一組研究人員也開發過一種新技術，它在活的細胞中，集成模擬和數字兩種計算方式，讓細胞可以形成基因電路，進行複雜的運算操作。

• 新工藝

前不久，我介紹過美國麻省理工學院發明的「晶元自組裝技術」，在晶元上繞了幾圈自組裝線纜，並配合使用「共聚物」這種新型材料，對預定義的設計和結構進行擴展和自組裝。麻省理工學院聲稱，這項自組裝技術能夠完全利用現有的生產技術實現，並且這項技術有望部署到7納米工藝中去。

另外，英國埃克塞特大學也使用過一種「微流體技術」進行晶元生產。這項技術利用一系列微管道控制微量液體的流動和方向。流體中含有氧化石墨烯薄片，在管道中和液體混合在一起，以便在CMOS光子電路上，對於二維材料進行晶圓級的集成。

這些新的晶元製造技術，比傳統晶元的生產方法更加簡單且低成本，它將為新一代的計算機在速度、效率和容量方面帶來了革命性變化。

另外，半導體製造設備的性能提升，對於晶元性能的改善和成本的降低也很有幫助，我以後將另外專門討論這個問題。

• 多核技術

僅提升單核晶元的速度，勢必會產生過多熱量，而無法帶來相應的性能改善。所以，多核技術便隨之產生，多內核是指在一枚處理器中集成兩個或多個完整的計算引擎（內核）。單晶元集成了多個內核，可提升執行程序的并行性。多個內核并行執行代碼，可提高主頻，降低功耗。所以，各大晶元廠家都紛紛推出了它們各自的多核處理晶元。

去年，加州大學戴維斯分校電子和計算機工程系的團隊，開發了一種微晶元，它包含了1000核的處理器晶元「KiloCore」，具有最大計算速率達每秒1.78萬億次指令，包含62100萬個晶體管。

另外，多核架構基礎上，要讓軟體更好地運行，必須創建有利於軟體運行的構架，例如增加核間通信、開發適合併行編程的多核晶元，我之前介紹過的麻省理工學院開發的「Swarm」晶元就是一個很好的例子。

當然，多核晶元的應用還需要軟體開發人員開發配套多核晶元的操作系統、編程語言、應用程序。

結論

當然，出路不僅僅在這些，對於半導體產業的明天，我是深有信心的，因為希望在於不斷的創新和改進。同時，我也將和大家一起關注半導體領域的更多技術前沿，也歡迎大家的建議、意見、指正和探討。

摩爾定律，是生存還是毀滅？結合以上的分析，在這裡分享我的一點思考：

未來，或許摩爾定律將有更多新希望，或許將被其它定律取代，更有可能有些新技術將顛覆傳統半導體產業的格局和發展思路，我們拭目以待！

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