據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，1965年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)預(yù)測(cè)，計(jì)算機(jī)芯片的處理能力每?jī)赡昃蜁?huì)翻一番。盡管已經(jīng)過(guò)去40多年，摩爾定律仍然有效。
多年來(lái)，英特爾科技和制造集團(tuán)副總裁邁克·梅佰里(Mike Mayberry)曾不止一次聽(tīng)到相同的世界末日預(yù)言：摩爾定律將會(huì)失效。梅佰里甚至聽(tīng)到過(guò)同事這樣說(shuō)。但是，由于大量像梅佰里這樣的材料科學(xué)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(chǎng)研究公司IDC預(yù)測(cè)，2016年全球芯片銷(xiāo)售額將由今年的3150億美元增長(zhǎng)至3800億美元。數(shù)十年來(lái)，巨額的芯片銷(xiāo)售額吸引芯片研究成果走出實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)工廠，成為被應(yīng)用在包括從1960年代的大型主機(jī)到2012年的iPhone 5在內(nèi)的各種產(chǎn)品中的芯片。 摩爾定律的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人們的預(yù)期，研究人員的努力使得計(jì)算機(jī)尺寸越來(lái)越小，功能越來(lái)越強(qiáng)大。梅佰里說(shuō)，“如果只使用一成不變的技術(shù)，一般來(lái)說(shuō)肯定會(huì)遭遇極限。事實(shí)上，在過(guò)去的40年中，我們每5或7年就會(huì)對(duì)技術(shù)進(jìn)行大幅改動(dòng)，因此芯片的處理能力是沒(méi)有上限的。” 大量其他產(chǎn)業(yè)則沒(méi)有這么幸運(yùn)，超音速商業(yè)性飛機(jī)、家用聚變反應(yīng)堆、每加侖汽油能跑1000英里的汽車(chē)都還沒(méi)有問(wèn)世。計(jì)算產(chǎn)業(yè)有其他產(chǎn)業(yè)不具備的一個(gè)基本靈活性：它處理的對(duì)象是數(shù)據(jù)，而非原子。 芯 片廠商Analog Devices首席技術(shù)官薩姆·福勒(Sam Fuller)說(shuō)，“汽車(chē)和飛機(jī)處理的是物質(zhì)世界的對(duì)象”，例如乘坐它們的人的大小和質(zhì)量，“計(jì)算和信息處理則不存在這樣的限制，數(shù)據(jù)不存在大小和質(zhì)量， 不存在其他產(chǎn)業(yè)面臨的限制。計(jì)算產(chǎn)業(yè)存在不斷向前發(fā)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(jì)算機(jī)性能。但是，包括摩爾本人在內(nèi)的芯片產(chǎn)業(yè)樂(lè)天派也認(rèn)為，未來(lái)10年后摩爾定律將遇到麻煩。屆時(shí)，人們一直預(yù)測(cè)的物理限制將會(huì)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(shù)量每年會(huì)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(shù)量翻番的周 期確定為兩年。摩爾2005年表示，“我認(rèn)為摩爾定律并非是精確的”，但實(shí)際上摩爾定律還是相當(dāng)精確的。目前，英特爾根據(jù)摩爾定律確定了產(chǎn)品發(fā)布周期，一 年更新芯片架構(gòu)，下一年更新制造工藝。 世界上第一個(gè)晶體管1947年在貝爾實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世。1964年出現(xiàn)了集成約30個(gè)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(gè)晶體管，尺寸為160平方毫米。 晶體管就是一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，與控制電燈的開(kāi)關(guān)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(guò)晶體管在邏輯上記為“1”，不流過(guò)晶體管記為“0”。一個(gè)芯片上整合的數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的晶體管就能通過(guò)影響相互的狀態(tài)來(lái)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(dǎo)體，因?yàn)樗袝r(shí)是導(dǎo)體，有時(shí)是絕緣體。晶體管柵極上的電壓控制著電流能否通過(guò)晶體管。為了跟 上摩爾定律的節(jié)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(dāng)于十億分之二十二米，或者人類(lèi)頭發(fā)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(dāng)于人類(lèi)頭發(fā)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(jí)到22納米工藝，英特爾專門(mén)開(kāi)發(fā)出了三柵極芯片設(shè)計(jì)，不但進(jìn)一步縮小了晶體管尺寸，還降低了能耗。 但是，開(kāi)發(fā)三柵極晶體管并非易事。英特爾研究人員在2002年就開(kāi)發(fā)成功了三柵極晶體管——?dú)v經(jīng)9年才投入大規(guī)模生產(chǎn)。這還不是唯一的挑戰(zhàn)，其他挑戰(zhàn)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(jì)劃2013年將制造工藝進(jìn)一步升級(jí)到14納米，然后是10納米、7納米，2019年時(shí)升級(jí)到5納米。 不斷升級(jí)制造工藝的并非只有英特爾。在芯片產(chǎn)業(yè)，許多公司依靠合作跟上摩爾定律的發(fā)展步伐。利用學(xué)術(shù)界研究成果、內(nèi)部開(kāi)發(fā)和業(yè)界合作，芯片公司解決了電子隧道效應(yīng)、電流泄露等大量問(wèn)題。 鑒 于芯片產(chǎn)業(yè)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，業(yè)內(nèi)不時(shí)會(huì)出現(xiàn)悲觀情緒。網(wǎng)絡(luò)雜志Slate 2005年刊發(fā)了一篇標(biāo)題為《摩爾定律終結(jié)》(The End of Moore's Law)的文章；紐約時(shí)報(bào)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(guī)律”，在另外一篇文章中引用SanDisk首席技術(shù)官的話 預(yù)測(cè)稱摩爾定律將于2014年遭遇“墻壁”；即使英特爾也表示在開(kāi)發(fā)16納米工藝時(shí)會(huì)遇到麻煩。過(guò)去數(shù)十年，摩爾本人也曾擔(dān)憂如何利用1微米、0.25微 米工藝生產(chǎn)芯片。 芯片生產(chǎn)確實(shí)存在著基本限制。例如，量子力學(xué)描述的被稱作隧道效應(yīng)的現(xiàn)象。從芯片設(shè)計(jì)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(huì)失效嗎？摩爾在2007年接受采訪時(shí)作出了肯定回答，“任何高速增長(zhǎng)的物理量都會(huì)有上限，過(guò)去，芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)克服了許多困難，但我認(rèn)為，在未來(lái)10年或15年，芯片開(kāi)發(fā)將遭遇上限。” 摩 爾接受采訪是在5年前，幾乎沒(méi)有人會(huì)冒險(xiǎn)預(yù)測(cè)摩爾本人所預(yù)測(cè)的時(shí)間之后的情況。市場(chǎng)研究公司Moor Insights & Strategy分析師帕特里克·摩爾希德(Patrick Moorhead)說(shuō)，“我認(rèn)為至少10年后我們才會(huì)遇到問(wèn)題。”芯片技術(shù)公司Mears Technologies創(chuàng)始人、總裁羅伯特·米爾斯(Robert Mears)說(shuō)，“我認(rèn)為摩爾定律還將在未來(lái)10年起作用。” 盡管如果晶體管不能繼續(xù)“瘦身”，摩爾定律就會(huì)失效，芯片產(chǎn)業(yè)的后硅元素時(shí)代不應(yīng)當(dāng)被忽視。當(dāng)傳統(tǒng)硅晶體管最終不能繼續(xù)發(fā)展后，芯片還可以采用其他多種元素。 英偉達(dá)首席科學(xué)家比爾·達(dá)利(Bill Dally)表示，“最可能的結(jié)果是，硅晶體管能繼續(xù)‘瘦身’，某些技術(shù)能繼續(xù)帶來(lái)更高的價(jià)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(xué)元素周期表上第三和第五族的其他元素制成。來(lái)自化學(xué)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(gè)權(quán)宜之計(jì)，“使用其他材料有一定的潛力，但很快會(huì)遭遇硅晶體管遇到的問(wèn)題。采用新材料可能會(huì)使芯片性能提高2、4倍，甚至8倍”。 改進(jìn)芯片的另一個(gè)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(zhàn)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(jìn)它們的半導(dǎo)體屬性，確保碳納米管的尺寸和構(gòu)成方式恰當(dāng)。 后 硅時(shí)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(gè)納米管，平面的石墨烯也能用作半導(dǎo)體材料。石墨烯與碳納米管相比的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它的制造可以 集成在晶圓制造工藝中，無(wú)需此后專門(mén)組裝。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)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(kāi)關(guān)速度可以非常高。福 勒說(shuō)，“我認(rèn)為石墨烯前景非常好。” 但使用石墨烯存在大量挑戰(zhàn)。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(dǎo)電，不能用作半導(dǎo)體。Mears Technologies總裁羅伯特·米爾斯(Robert Mears)表示，“石墨烯有部分非常優(yōu)秀的屬性，但目前沒(méi)有合適的帶隙。石墨烯目前還不能取代硅或其他半導(dǎo)體材料，它是一種優(yōu)良的連接介質(zhì)、導(dǎo)體，但不 能做成很好的開(kāi)關(guān)。” 福勒這樣描述理想的晶體管：“處于閉合狀態(tài)時(shí)，電流通過(guò)能力強(qiáng)；處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，幾乎不消耗任何電能。目前的問(wèn)題是，石墨烯晶體管很難斷開(kāi)。” 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(wèn)題，石墨烯制成的晶體管可能尺寸不會(huì)更小，但速度會(huì)更快。福勒說(shuō)，“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(jìn)的技術(shù)被稱作自旋電子學(xué)，信息利用電子一種被稱作自旋的屬性在芯片內(nèi)傳輸信息。福勒說(shuō)，“如果可以利用電子自旋屬性，而非電荷存儲(chǔ)‘1’和‘0’，就不會(huì)存在移動(dòng)電荷存在的熱力學(xué)極限問(wèn)題。未來(lái)的芯片不會(huì)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(xué)技術(shù)也可以用于未來(lái)的芯片。福勒說(shuō)，“這可能是芯片間通信，甚至芯片上信息傳輸?shù)囊环N優(yōu)秀技術(shù)。目前，芯片能耗中相當(dāng)大一部分都用于芯片間同步，但一些有前景的研究項(xiàng)目在利用硅光子學(xué)技術(shù)解決芯片同步問(wèn)題。” 米 爾斯說(shuō)，硅光子學(xué)技術(shù)的傳輸距離存在限制。問(wèn)題是：光的波長(zhǎng)大于芯片中連線的寬度，“盡管這曾經(jīng)是我的主要研究項(xiàng)目之一，我并不看好采用硅光子學(xué)技術(shù)的芯 片。硅光子學(xué)技術(shù)適合遠(yuǎn)距離通信，但不適合制造邏輯門(mén)。如果要制造或非門(mén)或與非門(mén)，需要采用電子學(xué)技術(shù)，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需要將電子信息再轉(zhuǎn)換為光子信息”。 此外，研究人員還在研究其他計(jì)算技術(shù)，例如量子計(jì)算、DNA計(jì)算、自旋波設(shè)備等，但哪種技術(shù)能笑到最后尚不得而知。 騰訊科技 |
