存在50年的摩爾定律正在失靈?

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作者:吳春曉

2016-02-18 20:26:35

摘自:中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)

1965年,英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登-摩爾觀察到,集成電路中的元件集成度每12個(gè)月就能翻番。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉和簡(jiǎn)化之后,這一現(xiàn)象就被稱作“摩爾定律”:?jiǎn)挝恍酒w管數(shù)量每12個(gè)月增長(zhǎng)一倍。

1965年,英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登-摩爾觀察到,集成電路中的元件集成度每12個(gè)月就能翻番。此外,確保每晶體管價(jià)格最低的單位芯片晶體管數(shù)量每12個(gè)月增長(zhǎng)一倍。1965年,單位芯片50個(gè)晶體管可以帶來最低的每晶體管成本。摩爾預(yù)計(jì),到1970年,單位芯片可集成1000個(gè)元件,而每晶體管成本則將下降90%。

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉和簡(jiǎn)化之后,這一現(xiàn)象就被稱作“摩爾定律”:?jiǎn)挝恍酒w管數(shù)量每12個(gè)月增長(zhǎng)一倍。

摩爾的觀察并非基于任何科學(xué)或工程原理。這僅僅反映了行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。然而,在隨后的發(fā)展中,半導(dǎo)體行業(yè)并沒有將摩爾定律當(dāng)作描述性、預(yù)測(cè)性的觀察,而是視為規(guī)定性、確定性的守則。整個(gè)行業(yè)必須實(shí)現(xiàn)摩爾定律預(yù)測(cè)的目標(biāo)。

然而,實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)無法依靠?jī)e幸。芯片開發(fā)是一個(gè)復(fù)雜過程,需要用到來自多家公司的機(jī)械、軟件和原材料。為了確保所有廠商根據(jù)摩爾定律制定同樣的時(shí)間表,整個(gè)行業(yè)遵循了共同的技術(shù)發(fā)展路線圖。由英特爾、AMD、臺(tái)積電、GlobalFoundries和IBM等廠商組成的行業(yè)組織半導(dǎo)體協(xié)會(huì)從1992年開始發(fā)布這樣的路線圖。1998年,半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)與全球其他地區(qū)的類似組織合作,成立了“國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖”組織。最近的一份路線圖于2013年發(fā)布。

摩爾定律提出的預(yù)測(cè)早在很久之前就已出現(xiàn)過問題。1975年,摩爾本人更新了摩爾定律,將半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展周期從12個(gè)月增加至24個(gè)月。在隨后30年中,通過縮小芯片上元件的尺寸,芯片發(fā)展一直遵循著摩爾定律。

摩爾定律的終結(jié)

然而進(jìn)入21世紀(jì)后,很明顯單純依靠縮小尺寸的做法正走向窮途末路。不過,通過其他一些技術(shù),芯片的發(fā)展仍然符合摩爾定律的預(yù)測(cè)。在90納米時(shí)代,應(yīng)變硅技術(shù)問世。在45納米時(shí)代,一種能提高晶體管電容的新材料推出。在22納米時(shí)代,三柵極晶體管使芯片性能變得更強(qiáng)大。

不過,這些新技術(shù)也已走到末路。用于芯片制造的光刻技術(shù)正面臨壓力。目前,14納米芯片在制造時(shí)使用的是193納米波長(zhǎng)光。光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)導(dǎo)致制造工藝更復(fù)雜,成本更高。波長(zhǎng)13.5納米的遠(yuǎn)紫外光被認(rèn)為是未來的希望,但適用于芯片制造的遠(yuǎn)紫外光技術(shù)目前仍需要攻克工程難題。

即使遠(yuǎn)紫外光技術(shù)得到應(yīng)用,目前也不清楚,芯片集成度能有多大的提高。如果縮小至2納米,那么單個(gè)晶體管將只有10個(gè)原子大小,而如此小的晶體管可靠性很可能存在問題。即使這些問題得到解決,功耗也將繼續(xù)造成困擾。隨著晶體管的連接越來越緊密,芯片功耗將越來越大。

應(yīng)變硅和三柵極晶體管等新技術(shù)歷經(jīng)了10多年的研究才得到商用。遠(yuǎn)紫外光技術(shù)被探討的時(shí)間更長(zhǎng)。而成本因素也需要考慮。相應(yīng)于摩爾定律,業(yè)界還有一個(gè)洛克定律。根據(jù)后一定律,芯片制造工廠的成本每4年就會(huì)翻番。新技術(shù)的發(fā)展可能將帶來更高的芯片集成度,但制造這種芯片的工廠將付出高昂的造價(jià)。

近期,這些因素給芯片公司造成了現(xiàn)實(shí)問題。英特爾原計(jì)劃于2016年在Cannonlake處理器中改用10納米工藝,這小于當(dāng)前Skylake芯片采用的14納米工藝。去年7月,英特爾調(diào)整了計(jì)劃。根據(jù)新計(jì)劃,英特爾將推出另一代處理器Kaby Lake,并沿用此前的14納米工藝。Cannonlake和10納米工藝仍在計(jì)劃之中,但被推遲至2017年下半年發(fā)布。

與此同時(shí),新增的晶體管變得越來越難用。上世紀(jì)80至90年代,新增晶體管帶來的價(jià)值顯而易見。奔騰處理器的速度遠(yuǎn)高于486處理器,而奔騰2代又遠(yuǎn)好于奔騰1代。只要處理器升級(jí),計(jì)算機(jī)性能就會(huì)有明顯的提升。然而在進(jìn)入21世紀(jì)之后,這樣的性能提升逐漸變得困難。受發(fā)熱因素影響,時(shí)鐘頻率無法繼續(xù)提高,而單個(gè)處理器核心的性能只能實(shí)現(xiàn)增量式增長(zhǎng)。因此,處理器正集成更多核心。從理論上來說,這提升了處理器的整體性能,但這種性能提升很難被軟件所利用。

“比摩爾更多”的新路線圖

這一系列困難表明,由摩爾定律驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展路線圖即將終結(jié)。但摩爾定律日薄西山并不意味著半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)步的終結(jié)。

2014年,國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖組織決定,下一份路線圖將不再依照摩爾定律。新的路線圖不再專注于芯片內(nèi)部技術(shù),而新方法被稱作“比摩爾更多”。例如,智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展意味著,多樣化的傳感器和低功耗處理器的重要性將大幅提升。用于這些設(shè)備的高集成度芯片不僅需要邏輯處理和緩存模塊,還需要內(nèi)存和電源管理模塊,用于GPS、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)的模擬器件,甚至陀螺儀和加速計(jì)等MEMS器件。

以往,這些不同類型的器件需要用到不同的制造工藝,以滿足不同需求。而新路線圖將提出,如何將這些器件集成在一起。整合不同制造工藝、處理不同原材料需要新的處理和支持技術(shù)。如果芯片廠商希望為這些新市場(chǎng)開發(fā)芯片,那么解決這些問題比提高芯片集成度更重要。

此外,新的路線圖還將關(guān)注新技術(shù),而不僅是當(dāng)前的硅CMOS工藝。英特爾已宣布,在達(dá)到7納米工藝之后,將不再使用硅材料。銻化銦和銦鎵砷化合物都有著不錯(cuò)的前景。與硅相比,這些材料能帶來更快的開關(guān)速度,而功耗也較低。碳材料,無論是碳納米管還是石墨烯,也在繼續(xù)被業(yè)內(nèi)研究。

在許多備選材料中,二維材料“石墨烯”被看好。這種自旋電子材料通過翻轉(zhuǎn)電子自旋來計(jì)算,而不是通過移動(dòng)電子。這種“毫伏特”量級(jí)(操作電壓比“伏特”量級(jí)的晶體管要低得多)的電子開關(guān)比硅材料開關(guān)的速度更快,而且發(fā)熱量更小。不過這種電子材料還未走出實(shí)驗(yàn)室。

盡管優(yōu)先級(jí)下降,但縮小尺寸提高集成度的做法并未被徹底拋棄。在三柵極晶體管的基礎(chǔ)上,到2020年左右,“柵極全包圍”晶體管和納米線將成為現(xiàn)實(shí)。而到本世紀(jì)20年代中期,一體化3D芯片將出現(xiàn),即在一整塊硅片上制作多層器件。

此外,另一種提高計(jì)算性能的方法是使用像“量子計(jì)算”這樣的技術(shù),該技術(shù)有望加速某些特定問題的計(jì)算速度,還有一種“神經(jīng)計(jì)算”技術(shù)旨在模擬大腦的神經(jīng)元處理單元。 但是,這些替代性的技術(shù)可能需要很久才能走出實(shí)驗(yàn)室。 而許多研究者認(rèn)為,量子計(jì)算機(jī)將為小眾應(yīng)用提供優(yōu)勢(shì),而不是用來取代處理日常任務(wù)的數(shù)字計(jì)算。去年年底,谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室已證明:他們的D-Wave量子計(jì)算機(jī)處理某些特定問題,比普通計(jì)算機(jī)快一億倍。

通過新材料、不同的量子效應(yīng),甚至超導(dǎo)等不可思議的新技術(shù),半導(dǎo)體行業(yè)或許能繼續(xù)像以往一樣提高芯片集成度。如果集成度能獲得明顯提升,那么市場(chǎng)對(duì)速度更快的處理器的需求可能將再次爆發(fā)。

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