摩爾定律其實是個欲望定律

摩爾定律其實是個欲望定律

摩爾定律或許會失效，但人類的欲望是沒有窮盡的。廠家總得想著法地取悅消費者，打出新噱頭，玩出新花樣。或許，這也是人類進步的動力吧。

小伙伴們經(jīng)常感嘆，現(xiàn)在的電子產(chǎn)品更新?lián)Q代速度太快了，根本跟不上產(chǎn)品更新的速度，蘋果6剛用了幾個月，6s就出來了。如果不是不差錢的土豪，誰也不會沖動到每逢新品上市必買。

電子消費品確乎是一個很神奇的領(lǐng)域，和衣服、汽車、食品等消費品相比，電子產(chǎn)品遵循著一個線性上升的更新邏輯。一個時尚服裝品牌，新款和舊款的區(qū)別可能只在于外觀樣式，而面料、御寒等功能很可能是類似的；一種食品，新款和舊款的區(qū)別可能也只在于包裝和口味，食材、配料可能差別很小。但對于智能手機或電腦等電子消費品，除了系統(tǒng)功能的完善和外觀工藝的更新外，一直存在著一個線性的增長規(guī)律，即機器的運行速度，一個手機品牌，新旗艦肯定要比舊的速度更快，處理器的工藝要更先進，晶體管數(shù)量更多。

這個線性增長規(guī)律，也就是科技界那個著名的摩爾定律。1965年英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾預(yù)言芯片上集成電路的晶體管數(shù)量，每隔兩年就會翻一番。原始的說法大致如此，后來被演化成多種表達，比如芯片速度每兩年增加一倍，價格每兩年降低一半，或者每隔18個月芯片就會更新?lián)Q代。1971年世界上第一顆商用微處理器英特爾4004誕生，其工藝是10微米，晶體管數(shù)量僅僅是2250個；40多年后，蘋果iphone6的A8處理器工藝做到了20納米（10微米的500分之1），晶體管數(shù)量達到了驚人的20億個，速度當(dāng)然也是不可同日而語。

在摩爾定律的支配下，芯片廠家不停地改進工藝，提升速度，而終端廠家則不停地跟進。放眼現(xiàn)在的智能手機品牌，誰的年度旗艦要是不采用最先進的處理器，都不好意思開發(fā)布會；誰要是不把高通驍龍820塞到手機里，還張口要價2500+，非得被罵暈不可。

但話說回來，這電子產(chǎn)品的線性增長，總得有個頭兒啊。處理器能無限地快下去嗎？那么快有什么用呢？晶體管的工藝已經(jīng)逼近極限了，再小的話就得單個原子上了，都不具備基本的物理性質(zhì)了，這個怎么破？實際上，這些擔(dān)心，正是大家經(jīng)常掛在嘴邊的摩爾定律失效問題。即增長到一定的程度后，摩爾定律不再成立了。據(jù)說英特爾已經(jīng)打破了自己處理器升級策略，不再一味地增加晶體管數(shù)量、縮小制程了，而是轉(zhuǎn)而不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，這或許意味著，英特爾這個芯片巨頭正在親手終結(jié)摩爾定律。與此同時，不少芯片廠商已經(jīng)在探索原子級晶體管的工藝，也有的在摸索石墨烯晶體管或量子計算等更前沿的技術(shù)了。更新的計算或芯片技術(shù)，對于量變式的摩爾定律升級邏輯來講，已經(jīng)算是質(zhì)變了，一旦這些技術(shù)成熟了，那摩爾定律似乎真的要退出歷史舞臺了。

有位觀察者說得好，硬件性能再強勁，也讓軟件給吃的一干二凈，所以雖然有時人們覺得幾年前的老款手機用著也挺高興，但對另一部分人來講，硬件性能總是不夠用，總是等著下一代。一句話，摩爾定律或許會失效，但人類的欲望是沒有窮盡的。廠家總得想著法地取悅消費者，打出新噱頭，玩出新花樣?；蛟S，這也是人類進步的動力吧。

來詳細了解一下摩爾定律的前世今生。

摩爾定律的前世今生

摩爾定律的前世今生

1965年，Intel公司創(chuàng)始人戈登。摩爾（Gordon Moore）著文指出，芯片中晶體管的數(shù)量每年會翻番，半導(dǎo)體的性能與容量將以指數(shù)式增長，這就是摩爾定律的雛形。1975年，摩爾修正了該定律為：每隔24個月晶體管的數(shù)量將翻番。晶體管數(shù)量翻倍帶來的好處就是：更快、更小、更便宜。這就引出了摩爾定律的經(jīng)濟學(xué)效益，因為對芯片來說，集成度越高，晶體管的價格就越便宜。在20世紀60年代初，一個晶體管要10美元左右，隨著晶體管越來越小，小到一根頭發(fā)絲上可以放1000個晶體管時，每個晶體管的價格只有千分之一美分。在摩爾發(fā)表這篇文章的年代，芯片的集成度只有幾十個晶體管，在以后的26年時間里，芯片集成的晶體管數(shù)量增加了3200多倍，從1971年推出的第一款I(lǐng)ntel 4004處理器的2300個增加到奔騰II處理器的750萬個，英特爾最新的Itanium芯片已集成有17億個硅晶體管。

摩爾定律問世至今已近50年了，人們有理由懷疑，摩爾定律是否快走到頭了？半導(dǎo)體工藝制造技術(shù)水平在以令人目眩的速度提高，晶體管的幾何尺寸不可能無限制的縮小下去，總有一天會達到極限。業(yè)界已有專家預(yù)計，摩爾定律可能還有十年的持續(xù)發(fā)展，但每單位晶體管成本下跌的速度將隨之減緩，無法再像過去一樣快速降低了。其制約的因素一是技術(shù)，二是經(jīng)濟。 目前65~180nm節(jié)點是最普遍的工藝技術(shù)，但有大量轉(zhuǎn)向28nm的趨勢。為什么呢？因為28nm工藝可能是最后一個能為客戶帶來更低成本、更低功耗，更高性能的工藝節(jié)點。隨著晶體管降價速度減緩，半導(dǎo)體的價格很可能要提高，只有提高價格才能使芯片制造商能夠回收投資，這就是經(jīng)濟原因。在高性能、低功耗和低成本這三個因素中，只能選擇其中的兩個。英特爾在一次GSA年會中指出，10nm工藝節(jié)點可能就是摩爾定律的終點。臺積電張忠謀更是語出驚人：摩爾定律大概只能再茍延殘喘5~ 6年時間， 7nm后摩爾定律就不起作用了。

為什么大家都把10nm節(jié)點看做摩爾定律的終點，因為在10nm節(jié)點內(nèi)半導(dǎo)體每單位成本仍可依循摩爾定律下降。這就是“木桶理論”里的“短板”概念，一件事情的成功不是取決于最完美的部分，而是取決于它的薄弱環(huán)節(jié)。小于10nm的工藝節(jié)點，傳統(tǒng)的多重曝光（Multi-Pattering）技術(shù)將不起作用，新一代的光刻技術(shù)（EUV或其他）將主宰芯片的成本。這是技術(shù)原因。

摩爾定律的演進過程

隨著芯片體積的不斷縮小，半導(dǎo)體技術(shù)開始走向物理極限。指導(dǎo)行業(yè)半個世紀的摩爾定律終歸會走向失效，但是未來的芯片是什么樣的則是眾說紛紜、霧里看花。

上世紀80年代的IC設(shè)計工藝特征尺寸是5微米。何曾想到今天的tech node（技術(shù)節(jié)點）已經(jīng)做到了14nm。一般認為，器件尺寸做到5nm以下時，溝道中的載流子行為將要用量子力學(xué)的理論來解釋，經(jīng)典物理學(xué)的半導(dǎo)體器件理論將失效。學(xué)界和業(yè)界的普遍觀點認為摩爾定律的極限是7nm，再往下走摩爾定律將失效。

讓我們回顧一下各個技術(shù)節(jié)點的演進過程。一般每一代技術(shù)節(jié)點的差距是后一代為前一代的0.7倍，這樣后一代的面積大約為前一代的一半。由于光刻技術(shù)的提升，在把技術(shù)節(jié)點推到0.13um以下時 ，傳統(tǒng)的MOSFET結(jié)構(gòu)就無法scaling down（等比例縮小）下去了，短溝道效應(yīng)造成載流子遷移率過低，會影響開關(guān)速率和開關(guān)電流。英特爾有一個成功的技術(shù)將載流子的溝道遷移率提升，使摩爾定律前進到65nm（其中包括90nm和65nm兩代技術(shù)）。但隨著scaling down的進行，只有1nm物理厚度的氧化硅層已經(jīng)無法再變薄。又是英特爾率先使用了HKMG（high-k metal gate）技術(shù)，又將節(jié)點推到了32nm。

32nm以后從材料上改進已經(jīng)變得很困難，這時候3D結(jié)構(gòu)的晶體管出現(xiàn)了。3D結(jié)構(gòu)就是我們所說的FinFET鰭式場效晶體管。在FinFET的架構(gòu)中，閘門設(shè)計成類似魚鰭的叉狀3D架構(gòu)，可于電路的兩側(cè)（平面結(jié)構(gòu)只能在一側(cè)控制）控制電路的接通與斷開。這種設(shè)計的最大優(yōu)點是可以大幅縮短晶體管的柵長度，同時也可以大幅改善電路控制并減少漏電流。英特爾已經(jīng)在22nm節(jié)點上成功量產(chǎn)了3D結(jié)構(gòu)的芯片。在未來的10nm節(jié)點上應(yīng)該還會采用這個FinFET結(jié)構(gòu)，但7nm節(jié)點以下就很難說了。

在3D晶體管之后是3D IC的概念。3D IC是將wafer或者chip通過TSV技術(shù)連為一層一層的層狀結(jié)構(gòu)，這樣做的好處是使IC的空間使用率大大增強，僅僅兩層就可提升200%的空間使用率！3D IC被視為今后集成電路發(fā)展的一個重要方向，而且它的商品CMOS 3D IC Image sensor數(shù)碼相機也已經(jīng)實現(xiàn)了商品化。所以即使10nm或者7nm到頭使摩爾定律失效，但是新技術(shù)依然還會繼續(xù)發(fā)展。

摩爾定律的未來

摩爾定律的未來在哪里？中科院微系統(tǒng)所王曦院士曾提出“超越摩爾定律”概念。在單一的CMOS技術(shù)推動下，計算機時代和通訊時代都遵循“摩爾定律”往前走?，F(xiàn)在的CMOS“納技術(shù)”已接近物理極限，例如以傳感器為代表的智能感知時代則在依賴“超越摩爾”（MtM--More than Moore）的跨領(lǐng)域融合創(chuàng)新來推動。MtM技術(shù)依賴非數(shù)字多元技術(shù)，無需遵循“摩爾定律”升級工藝。我們可以大膽預(yù)測，MtM技術(shù)一定是物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、智慧家庭等新興領(lǐng)域依賴的基礎(chǔ)技術(shù)，在MtM技術(shù)融合創(chuàng)新推動下，MtM一定會形成一個方興未艾的產(chǎn)業(yè)。這個產(chǎn)業(yè)包括傳感器、MEMS、光電、射頻、高功率、模擬等領(lǐng)域。

19世紀80年代是鐵路呈指數(shù)高速增長的年代，上世紀30和40年代是汽車工業(yè)指數(shù)式發(fā)展的年代，飛機制造業(yè)也一樣，在達到音速之前飛機的性能曾經(jīng)快速發(fā)展。但不管怎樣，它們的增長最后都會停下來，半導(dǎo)體也逃不過這個命運。可以預(yù)測的是，只有少數(shù)的尖端芯片會繼續(xù)指數(shù)式地再發(fā)展一兩代，比如多核處理器，但我們也許會發(fā)現(xiàn)，大量的應(yīng)用最需要的也許并不是這些最先進的設(shè)計。

從經(jīng)濟的角度看，目前建一座12吋晶圓廠需要20-30億美元，18吋晶圓廠則要花1.4倍之多。由于花不起這筆錢，迫使越來越多的公司退出了芯片這個看起來“高大上”的行業(yè)。因此摩爾定律要再維持十年的壽命，也決非易事。

最近，德國一家固體電子研究所PDI與日本NTT基礎(chǔ)研究室、美國海軍等單位，研制出了世界最小的晶體管，直徑是167皮米（0.167nm）。0.167nm是個什么概念呢？是目前已知最先進的IBM 7nm的1/42、人類頭發(fā)的60萬分之一、DNA鏈的1/15。這是一個在砷化銦晶體上制備的晶體管。這種分子級晶體管的出現(xiàn)，也許說明摩爾定律真的走到極限了！

當(dāng)然這種分子級晶體管集成到芯片中還是很遙遠的事，但我們已經(jīng)看到在摩爾定律之后芯片的模樣。假如真的摩爾定律的路線---提高速度、降低能耗、降低價格—-有一天走不通了，未來受影響的將不僅僅是IT行業(yè)，許多與我們生活息息相關(guān)的產(chǎn)業(yè)都會受到很大影響。還有一種觀點是，即使晶體管尺寸的縮小無法帶來速度和價格上的優(yōu)勢，也會換來功耗的降低。超低功耗的芯片將會在2020年前問世，超低功耗時代意味著電池都不再是必需品了，太陽能、振動、無線電波甚至汗液都能替代電池為系統(tǒng)供電。

總之，未來不管是more Moore還是more than Moore，技術(shù)前進的步伐是不可阻擋的！我們不必為此悲觀。