摩尔定律还能存活多久？计算机芯片已达物理极限
2015年9月29日 9:3来源：慧聪电子网
据《纽约时报》网络版报道，1960年，在宾夕法尼亚大学举办的国际固态电路会议上，名为道格拉斯•恩格尔巴特(DouglasEngelbart)的年青计算机工程师介绍了简单但具有开创性意义的概念：缩小(scaling)。
恩格尔巴特从理论上阐明，随着电路尺寸越来越小，元器件速度将越来越快，能耗、制造成本会越来越低，这一切都呈加速发展态势。恩格尔巴特后来发明了计算机鼠标和其他个人计算技术。
当天坐在台下听恩格尔巴特演讲的听众中就有后来与其他人联合创建了英特尔的戈登•摩尔(GordonMoore)。1965年，摩尔量化了缩小原理，提出对计算机时代产生了深远影响的摩尔定律。他预测，在至少10年内，芯片集成的晶体管数量将每年翻一番，从而导致计算机处理能力大幅度提高。
他的预测发表在1965年4月份的《电子学》杂志上，后来被称作摩尔定律。这不是一条物理学定律，而是对一个新兴产业的观察结果，在此后的半个世纪中，摩尔定律被证明是有效的。
在1960年代早期，宽度约与棉纤维相当的一个晶体管，按现在的美元计算价格约为8美元(约合人民币51元)。目前，指甲盖大小的芯片可以集成数十亿个晶体管，晶体管的价格已经下降到1美分(约合人民币6分钱)能买好多的水平。
计算机芯片的发展帮助硅谷给世界带来了令人吃惊的进步，其中包括PC、智能手机和互联网。但是，最近数年，根据摩尔定律预测的芯片发展速度放慢了。约10年前，芯片速度停止进一步提高，新一代芯片问世的时间延长，单个晶体管的成本不再下跌。
《纽约时报》表示，技术专家现在认为，新一代芯片的问世会更慢，两代芯片之间的间隔将延长至2.5-3年。他们担心，到2020年代中期，届时仅由数个分子构成的晶体管将无法可靠地工作。除非有新的技术突破问世，摩尔定律时代将告终结。
博通首席技术官亨利•萨缪里(HenrySamueli)在谈到摩尔定律时说，“它头发已经花白，已经年老了。摩尔定律尚未死亡，但即将退休。”
摩尔定律还能存活多久？计算机芯片已达物理极限
1995年，摩尔将晶体管数量翻番的时间修改为2年。他认为摩尔定律能在如此长时间内有效是了不起的，最近在纪念摩尔定律问世50周年的一次会议上表示，“最初时考虑它的有效时间是10年，我认为这已经够长了。”
但一个问题是，一旦不断提高的速度、不断降低的能耗需求和更低的价格这一组合无法持续下去，会出现什么情况?
英特尔前电子工程师罗伯特•科威尔(RobertP.Colwell)说，出现这种情况的影响远不仅仅局限于计算机产业。科威尔在英特尔曾负责领导奔腾芯片的设计。
科威尔说，“以汽车产业为例。过去30年推动汽车产业创新的是摩尔定律。”汽车产业在引擎控制器、防抱死刹车、导航、娱乐和安全系统方面的大多数创新都来自价格越来越低的半导体。
硅谷却没有这种担忧。过去30多年来，计算产业一直声称计算速度会更快，容量会更高，价格会更低。这被描述为互联网时代，甚至是奇点(即计算机的处理能力将超过人的智能)。
物理极限
芯片是由金属连线和基于半导体材料的晶体管组成的。最先进晶体管和连线的宽度小于光的波长，最先进电子开关的尺寸小于生物病毒。
芯片采用光刻工艺制造。自1950年代末被发明以来，光刻工艺一直在不断发展。目前，芯片光刻工艺已经发展到使用紫外激光。
由于元器件和连线的尺寸已经缩小到只有几个分子大小，工程师在芯片设计中采用了计算机模拟技术。设计自动化软件厂商MentorGraphics首席执行官瓦尔登•莱因(WaldenC.Rhines)表示，“这是在戏耍物理学。”
如果由恩格尔伯特首先描述的这种“缩小”不能持续下去，大型芯片厂商该如何应对呢?《纽约时报》称，其一，它们可以转向软件或新的芯片设计，从相同数量的晶体管中“榨取”更高的计算能力。
另外，芯片产业还寄希望于新材料。专用芯片厂商EfficientPowerConversionCorporation首席执行官、物理学家亚力克斯•里道(AlexLidow)说，其他材料可能取代硅，被用来生产更小的晶体管、新型存储设备、光通讯设备。
还有许多全新技术，例如量子计算——如果实用化，将大大提高计算速度;自旋电子学——能使未来的计算技术进入原子量级器件时代。
最近，业界对一种被称作极紫外线光刻的技术非常乐观。如果获得成功，它将使芯片厂商采用更先进的工艺生产芯片，同时简化芯片生产过程。但这一技术尚未在商业生产中得到验证。
今年早些时候，荷兰光刻机厂商ASML表示，已经获得美国一家客户的巨额极紫外线光刻机订单，大多数业内人士都认为这家客户是英特尔，这意味着英特尔在制造工艺方面将比其他芯片厂商领先一步。
不同于三星、台积电等主要竞争对手的是，英特尔高管坚信公司在可预见的将来能继续降低芯片制造成本，他们不认可晶体管价格已经趋于稳定的观点。
尽管如此，英特尔也不能完全“藐视”物理学。英特尔7月份表示，它将把采用10纳米工艺技术的时间推迟到2017年。这打破了英特尔一年换用新生产工艺、下一年采用新芯片架构的新产品发布周期。
英特尔首席执行官科再奇(BrianKrzanich)在一次分析师电话会议上说，“最近的两次技术转换已经表明，我们采用新工艺的周期接近2年半而非2年。”
不再有顺风车
《纽约时报》指出，对这些问题的乐观看法是，芯片开发的放缓将导致更激烈的竞争和更多创造性。许多半导体厂商都不像四大芯片制造商GlobalFoundries、英特尔、三星和台积电那样有先进的制造工厂。
哈佛商学院教授大卫•约菲(DavidB.Yoffie)说，芯片制造工艺发展放缓可能使得稍微落后一些的厂商能在不要求最先进性能的市场上竞争。
即使不断缩小的晶体管尺寸不会使芯片更快、更廉价，也会降低芯片能耗。将于2010年代末问世的超低能耗计算机芯片在有些情况下甚至不要求使用电池供电，而能够利用太阳能、振动、无线电波甚至汗液供电。
这些芯片会催生什么样的产品?没有人知道。但产品设计人员将被迫以不同方式思考他们开发的产品，而不能坐等处理能力更强大的芯片。借助摩尔定律，计算机尺寸越来越小，但在设计方面并没有什么突破。苹果前高管托尼•法德尔(TonyFadell)表示，“过去，设计师很懒散。”
物理学家卡佛•米德(CarverMead)说，“过去我们基本上是在搭顺风车，这真的很蠢，但很有效。”
芯片是由金属连线和基于半导体材料的晶体管组成的。芯片采用光刻工艺制造。自1950年代末被发明以来，光刻工艺一直在不断发展。目前，芯片光刻工艺已经发展到使用紫外激光。
由于元器件和连线的尺寸已经缩小到只有几个分子大小，工程师在芯片设计中采用了计算机模拟技术。但随着线宽的减小，载流子的热运动对IC内部元件和连线的影响就越明显。（电的热效应和光应用）
传统芯片工艺的极限将是5纳米。超越这个极限后将遇到电流泄漏等难题。
在更高的速度、更低的能耗和更低的成本这三个因素中，芯片厂商只能选择其中的两个。
有人问霍金怎么看集成电路技术所面临的极限。虽然不是他的研究领域，但他总结了两点：光的有限速度和材料的原子特性
寻求硅的替代材料，以继续提高芯片的集成度和性能。这些材料包括： III-V族化合物（磷化铟和砷化铟镓）、石墨烯、硅烯、碳纳米管等。
此外也可以另辟蹊径，在使用现有工艺的情况下来提高单位面积下晶体管的集成数量（比如2.5D、3D堆叠等方案，目前在NAND、DRAM等存储产品中已有不少应用，不过对于IC芯片来说，发热问题不好解决），在未来甚至还可能有光子计算、量子计算等颠覆摩尔定律的超级计算机出现。
将于2010年代末问世的超低能耗计算机芯片在有些情况下甚至不要求使用电池供电，而能够利用太阳能、振动、无线电波甚至汗液供电。
CPU的时钟频率在3GHz的频率下，波形由开到关（即1个时钟周期）的时间内，光只能前进10cm的距离；
LSI(Large Scale Integrated circuit，大规律集成电路)中的电路是采用一种印刷技术（光刻法）印上去的，在这样细微的尺度中，光的波长甚至都成了大问题，因为如果图像的尺寸比光的波长还小，就无法清晰地转印。可见波的波长范围约为400－800nm，因此最近45nm制程的LSI是无法用可见光来制造的。
在这种原子尺度的电路中（在1nm的长度上，只能排列几个原子），保持绝缘也是相当困难的。简单来说，就是电流通过了原本不应该通过的地方，这被称为漏电流。漏电流不但会浪费电力，某些情况下还会降低LSI的性能。
漏电流还会引发其他的问题，比如发热。随着SLI越来越精密，其密度也越来越高，热密度也随之提高。像现在的CPU这样高密度的LSI，其热度已经跟电熨斗或者烧烤盘差不多高了，因此必须用风扇等装置持续进行降温。照这个趋势发展下去，热密度早晚要媲美火箭的喷气口，如果没有充分的散热措施，连SLI本身都会被熔化。