據國外媒體報道，1965年，英特爾聯合創始人戈登·摩爾(Gordon Moore)預測，計算機芯片的處理能力每兩年就會翻一番。盡管已經過去40多年，摩爾定律仍然有效。
多年來，英特爾科技和制造集團副總裁邁克·梅佰里(Mike Mayberry)曾不止一次聽到相同的世界末日預言：摩爾定律將會失效。梅佰里甚至聽到過同事這樣說。但是，由于大量像梅佰里這樣的材料科學家不斷找到 使硅晶體管小型化的新途徑和其他替代材料——例如石墨烯，摩爾定律仍然在起作用。 市場研究公司IDC預測，2016年全球芯片銷售額將由今年的3150億美元增長至3800億美元。數十年來，巨額的芯片銷售額吸引芯片研究成果走出實驗室，通過工廠，成為被應用在包括從1960年代的大型主機到2012年的iPhone 5在內的各種產品中的芯片。 摩爾定律的壽命遠遠超過了人們的預期，研究人員的努力使得計算機尺寸越來越小，功能越來越強大。梅佰里說，“如果只使用一成不變的技術，一般來說肯定會遭遇極限。事實上，在過去的40年中，我們每5或7年就會對技術進行大幅改動，因此芯片的處理能力是沒有上限的。” 大量其他產業則沒有這么幸運，超音速商業性飛機、家用聚變反應堆、每加侖汽油能跑1000英里的汽車都還沒有問世。計算產業有其他產業不具備的一個基本靈活性：它處理的對象是數據，而非原子。 芯 片廠商Analog Devices首席技術官薩姆·福勒(Sam Fuller)說，“汽車和飛機處理的是物質世界的對象”，例如乘坐它們的人的大小和質量，“計算和信息處理則不存在這樣的限制，數據不存在大小和質量， 不存在其他產業面臨的限制。計算產業存在不斷向前發展的可能”。 這意味著，即使摩爾定律失效，芯片尺寸不再不斷縮小，還有其他途徑可以提高計算機性能。但是，包括摩爾本人在內的芯片產業樂天派也認為，未來10年后摩爾定律將遇到麻煩。屆時，人們一直預測的物理限制將會顯示出威力。 摩 爾在1965年的一篇論文中稱芯片上集成的晶體管數量每年會翻一番，這就是摩爾定律的雛形。他在1975年的一篇論文中將芯片中集成的晶體管數量翻番的周 期確定為兩年。摩爾2005年表示，“我認為摩爾定律并非是精確的”，但實際上摩爾定律還是相當精確的。目前，英特爾根據摩爾定律確定了產品發布周期，一 年更新芯片架構，下一年更新制造工藝。 世界上第一個晶體管1947年在貝爾實驗室問世。1964年出現了集成約30個晶體管的芯片，尺寸約為4毫米；英特爾的第三代酷睿i7四核芯片集成有14億個晶體管，尺寸為160平方毫米。 晶體管就是一個電子開關，與控制電燈的開關相似，柵極(gate)控制著電流能否由源極(source)流向漏極(drain)。電子流過晶體管在邏輯上記為“1”，不流過晶體管記為“0”。一個芯片上整合的數以百萬計的晶體管就能通過影響相互的狀態來處理信息。 在 目前的芯片中，連接晶體管源極和漏極的是硅元素。硅被稱作半導體，因為它有時是導體，有時是絕緣體。晶體管柵極上的電壓控制著電流能否通過晶體管。為了跟 上摩爾定律的節奏，工程師必須不斷縮小晶體管的尺寸。英特爾目前采用22納米制造工藝，相當于十億分之二十二米，或者人類頭發直徑的四千分之一。相比之 下，英特爾1971年推出的首款芯片4004采用10微米(10000納米)工藝，相當于人類頭發直徑的十分之一。 英特爾Ivy Bridge芯片表明了不斷縮小晶體管尺寸的難度。為了由早期的32納米工藝升級到22納米工藝，英特爾專門開發出了三柵極芯片設計，不但進一步縮小了晶體管尺寸，還降低了能耗。 但是，開發三柵極晶體管并非易事。英特爾研究人員在2002年就開發成功了三柵極晶體管——歷經9年才投入大規模生產。這還不是唯一的挑戰，其他挑戰包括利用金屬制造柵極、使用銅而非鋁線連接晶體管等。 英特爾計劃2013年將制造工藝進一步升級到14納米，然后是10納米、7納米，2019年時升級到5納米。 不斷升級制造工藝的并非只有英特爾。在芯片產業，許多公司依靠合作跟上摩爾定律的發展步伐。利用學術界研究成果、內部開發和業界合作，芯片公司解決了電子隧道效應、電流泄露等大量問題。 鑒 于芯片產業面臨的技術挑戰，業內不時會出現悲觀情緒。網絡雜志Slate 2005年刊發了一篇標題為《摩爾定律終結》(The End of Moore's Law)的文章；紐約時報1997年刊文稱，“令人難以置信的不斷縮小的晶體管接近極限：物理規律”，在另外一篇文章中引用SanDisk首席技術官的話 預測稱摩爾定律將于2014年遭遇“墻壁”；即使英特爾也表示在開發16納米工藝時會遇到麻煩。過去數十年，摩爾本人也曾擔憂如何利用1微米、0.25微 米工藝生產芯片。 芯片生產確實存在著基本限制。例如，量子力學描述的被稱作隧道效應的現象。從芯片設計角度看，這意味著電子能夠從源極跳躍到漏極，芯片將因泄露電流而不能正常工作。 那么摩爾定律會失效嗎？摩爾在2007年接受采訪時作出了肯定回答，“任何高速增長的物理量都會有上限，過去，芯片產業已經克服了許多困難，但我認為，在未來10年或15年，芯片開發將遭遇上限。” 摩 爾接受采訪是在5年前，幾乎沒有人會冒險預測摩爾本人所預測的時間之后的情況。市場研究公司Moor Insights & Strategy分析師帕特里克·摩爾希德(Patrick Moorhead)說，“我認為至少10年后我們才會遇到問題。”芯片技術公司Mears Technologies創始人、總裁羅伯特·米爾斯(Robert Mears)說，“我認為摩爾定律還將在未來10年起作用。” 盡管如果晶體管不能繼續“瘦身”，摩爾定律就會失效，芯片產業的后硅元素時代不應當被忽視。當傳統硅晶體管最終不能繼續發展后，芯片還可以采用其他多種元素。 英偉達首席科學家比爾·達利(Bill Dally)表示，“最可能的結果是，硅晶體管能繼續‘瘦身’，某些技術能繼續帶來更高的價值。” 目 前，晶體管的源極、漏極和通道是用硅元素制成的，它們也可以由砷化銦、砷化鎵、氮化鎵和化學元素周期表上第三和第五族的其他元素制成。來自化學元素周期表 中不同的族，意味著晶體管材料有不同的屬性，它們的一大特性是有更高的電子遷移率，這意味著電子遷移速度更快，晶體管速度也可以因此更高。 但福勒指出，這可能僅僅是一個權宜之計，“使用其他材料有一定的潛力，但很快會遭遇硅晶體管遇到的問題。采用新材料可能會使芯片性能提高2、4倍，甚至8倍”。 改進芯片的另一個途徑是利用“納米線”取代硅材料制成的晶體管通道。更大的挑戰是使用碳納米管的可能性，但采用碳納米管存在許多困難：連接碳納米管與晶體管其他部分，改進它們的半導體屬性，確保碳納米管的尺寸和構成方式恰當。 后 硅時代最有希望的一種晶體管材料是石墨烯。石墨烯可以卷成一個納米管，平面的石墨烯也能用作半導體材料。石墨烯與碳納米管相比的一個優勢是，它的制造可以 集成在晶圓制造工藝中，無需此后專門組裝。另一個優勢是石墨烯極高的電子遷移率，如果用石墨烯連接晶體管中的源極和漏極，晶體管的開關速度可以非常高。福 勒說，“我認為石墨烯前景非常好。” 但使用石墨烯存在大量挑戰。首先是它缺乏足夠的帶 隙(band gap)。石墨烯本身帶隙為0，意味著它只能導電，不能用作半導體。Mears Technologies總裁羅伯特·米爾斯(Robert Mears)表示，“石墨烯有部分非常優秀的屬性，但目前沒有合適的帶隙。石墨烯目前還不能取代硅或其他半導體材料，它是一種優良的連接介質、導體，但不 能做成很好的開關。” 福勒這樣描述理想的晶體管：“處于閉合狀態時，電流通過能力強；處于斷開狀態時，幾乎不消耗任何電能。目前的問題是，石墨烯晶體管很難斷開。” 使 一種材料具有合適“帶隙”有多種途徑，其中包括將兩塊分離的石墨烯組裝成“納米絲帶”(nanoribbons)，采用不同的晶體管柵極。如果科研人員能 解決這些問題，石墨烯制成的晶體管可能尺寸不會更小，但速度會更快。福勒說，“我們還處于探索利用石墨烯的早期階段，就像是1950年代探索利用硅元素那 樣。” 另外一種更激進的技術被稱作自旋電子學，信息利用電子一種被稱作自旋的屬性在芯片內傳輸信息。福勒說，“如果可以利用電子自旋屬性，而非電荷存儲‘1’和‘0’，就不會存在移動電荷存在的熱力學極限問題。未來的芯片不會遇到與目前芯片相同的能耗限制。” 依靠光而非電子攜帶信息的硅光子學技術也可以用于未來的芯片。福勒說，“這可能是芯片間通信，甚至芯片上信息傳輸的一種優秀技術。目前，芯片能耗中相當大一部分都用于芯片間同步，但一些有前景的研究項目在利用硅光子學技術解決芯片同步問題。” 米 爾斯說，硅光子學技術的傳輸距離存在限制。問題是：光的波長大于芯片中連線的寬度，“盡管這曾經是我的主要研究項目之一，我并不看好采用硅光子學技術的芯 片。硅光子學技術適合遠距離通信，但不適合制造邏輯門。如果要制造或非門或與非門，需要采用電子學技術，傳輸數據時需要將電子信息再轉換為光子信息”。 此外，研究人員還在研究其他計算技術，例如量子計算、DNA計算、自旋波設備等，但哪種技術能笑到最后尚不得而知。 騰訊科技 |
