摩尔定律是一种预言吗（是生存还是毁灭）

摩尔定律

• 内容

当价格不变时，集成电路上可容纳的器件数目每两年（摩尔的说法）或18个月（David House的说法）就会增加一倍，性能也随之增加一倍。

• 历史

英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔，时任仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor）工程师，于1965年4月19日在《电子学》杂志（Electronics Magazine）发表了一篇论文，文中预言半导体芯片上的晶体管和电阻数量每年都将增加一倍。

而后来，由于芯片上增加更多的晶体管，会带来成本的增加，所以摩尔在根据当时的实际情况，将“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”。而随后，英特尔的高管David House，又将这个时间改为了18个月。

• 意义

过去几十年来，半导体行业发展的实践证明，摩尔定律是准确而稳定的。

集成电路

集成电路（integrated circuit）是一种微型电子器件，通过一定的工艺，把电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。

杰克·基尔比（Jack Kilby）和罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）在1958~1959年期间，分别发明了锗集成电路和硅集成电路，而后来硅集成电路后来得到了大规模应用。

原来的方式是将晶体管、电阻和电容等元器件都安装在一块电路板上，体积庞大且笨重，而集成电路改变这一状况，带来小型化和实用化。

• CMOS

CMOS，是Complementary Metal Oxide Semiconductor（互补金属氧化物半导体）的缩写，它是指制造大规模集成电路芯片时采用的一种技术，或者用这种技术制造出来的芯片，常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片。在CMOS技术领域，不断产生一些新进展，从而提升了集成电路的性能和密度。

• DRAM

DRAM，即动态随机存取存储器，最为常见的系统内存。DRAM 只能将数据保持很短的时间。为了保持数据，DRAM使用电容存储，所以必须隔一段时间刷新一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。这项技术使得制造单晶体管存储单元变得可能。

另外，由于东芝1980年发明了闪存技术，从而带来更加低成本、高容量的存储器，并广泛应用于各种电子产品。

• 化学放大光刻胶

光刻胶，是一种对于光和射线十分敏感的材料。此类材料主要用于微电子工业的微观平板印刷术，如电子存储器件和数据处理单元的制造，微型集成电路的印刷等。

所谓的化学放大，是指一个光解产酸剂PAG分解后产生的酸分子，引发一些列化学反应，这些反应能根据光刻胶曝光前后溶解能力的差异，分为正负性光刻胶。

IBM在于1980年代中期，将化学放大光刻胶技术用于DRAM的生产。

• 深紫外准分子激光光刻技术

准分子激光，是指受到电子束激发的惰性气体和卤素气体结合的混合气体，形成的分子向其基态跃迁时发射所产生的激光。

曝光，是芯片制造中最关键的制造工艺，而光学曝光技术是当前曝光的主流技术。为了提高分辨率，光学曝光机的波长不断缩小，从436纳米、365纳米的近紫外（NUV）到246 纳米、193纳米的深紫外（DUV）。

深紫外准分子激光光刻技术，使得集成电路的工艺水平从到1990年的800纳米缩小到2016年的10纳米。在此之前，受激准分子激光器主要作为研究设备使用，因为它在1970年就得以发明。准分子激光光刻技术的发明是激光应用50年来的一个里程碑。

• 化学机械平坦化制程（CMP）

CMP是一种全局平坦化技术，它通过硅片和一个抛光头之间的相对运动来平坦化硅片表面，在硅片和抛光头之间有磨料，并同时施加压力。CMP设备也常称为抛光机。由于CMP能对于硅片，进行精确并均匀抛光，使其达到所需要的厚度和平坦度。

虽然是基于古老的望远镜镜面抛光技术，CMP技术被认为是实现晶圆表面局部平坦化和全局平坦化的最佳方法。

危机

虽然过去一段时间，由于以上列举的这些关键动力，摩尔定律的预言不断变成现实。但是这些年来，这一定律不断受到挑战，具体的挑战者和事例都很多，我就不一一列举了。

这里我想要指出的是，和牛顿三大定律等物理定律不同，摩尔定律并不是自然定律，而是预测性和观察性的，所以面临危机很正常。

然而，我主要关心的是产生这些危机的深层次原因，主要归纳为以下三方面：

• 工艺

芯片制造的光刻技术面临压力，14纳米芯片所用的193纳米的光波长较长，而说需要的工艺复杂度较高，成本也很高。但是，13.5纳米超短波长的远紫外光虽然带来了希望，但是其在芯片制造方面，还有种种难题需要突破。

• 发热

由于芯片狭小的空间里面的晶体管数量越来越多，所产生的热量也会越来越大，发热问题成为了严重的制约因素。

• 量子效应

随着芯片制造工艺进步到10纳米，甚至7纳米，进入了微观量子力学领域，电子的行为将受限于量子的不确定性，隧穿效应发生，晶体管将变得不再可靠。

由于上述因素的影响，所以就连戈登摩尔本人，在2015年接受一次专访时也提出：

我们不会再有过去几十年那样的进展速度。我认为这是任何技术都无法避免的，它最终将趋于饱和。我猜我将看到摩尔定律在下一个十年走向灭亡，但是这并不令人惊讶。

出路

摩尔定律面临种种严峻挑战，很多人都持有悲观态度，各种摩尔定律死亡、失效的话题变得纷纷攘攘。

但是，也有少部分人持有乐观态度，其中不乏现任英特尔的CEO 布莱恩·科兹安尼克，他在今年的CES上曾经指出：

在我的职业生涯中，我已经不止一次的听说摩尔定律要灭亡，但是今天我站在这里想你们真正展示，并且告诉你们摩尔定律仍然活着、健康而且旺盛。

而我的观点是：

原有的摩尔定律所表述的内容是否仍然有效，这点很值得怀疑，我觉得以前的表述可能需要更新。然而，半导体业界最近一些新的技术动态，让我们对于摩尔定律仍抱有一线希望。更重要的是，这些前沿技术孕育着半导体芯片性能不断提升，半导体产业进一步发展的新方法。

• 3D封装多层芯片

这种技术将晶体管从水平结构，转变为垂直结构并建造多层电路。目前，内存产业已经转向了三维架构，这样可以以减轻微型化的压力，同时提高NAND Flash的容量。

单芯片的三维集成，通过建造多层设备，层层叠加，彼此用密集的电线相连。从二维走向三维后，晶体管数量的增加还具有很大的空间。

• 新材料的应用

英特尔已宣布，达到7纳米工艺之后，将不再使用硅材料。锑化铟和铟镓砷化合物等材料，与硅相比具有带来更快的开关速度，而功耗也较低，所以前景看好。

另外，碳材料包括碳纳米管和石墨烯，也是不错的选择。在许多备选材料中，石墨烯，作为二维材料，一度被看好。它能够通过翻转电子自旋来进行计算，而不是通过传统的移动电子的形式，它做成的电子开关比硅材料开关的速度更快，且发热量更小。

另外，还有新型超颖材料，这种材料将可以带来无需半导体的微电子设备，这个概念很有意思。去年，美国加州大学圣地亚哥分校的工程师们就制造出了首个无需半导体、光学控制的微电子设备。

• 量子计算机

之前，我们说过当半导体工艺水平达到低于10纳米时，就会发生量子现象。所以这个时候，成为了量子物理的世界了。

目前的晶体管开关，有两种状态：1 和 0。而量子计算机的晶体管却有3种状态：0、1 以及「同时是 0 和 1」。最后的「同时是 0 和 1」的状态体现了量子态叠加原理，也就是薛定谔的猫所描述的状态。

显然，量子计算机由于多了叠加态（以及量子纠缠），运算能力会远超普通计算机，而这项技术也正走向小型化和通用化，其性能比普通计算机要强很多。

• DNA分子

DNA分子，是计算机科学和分子生物学相结合和交叉的前沿研究领域。DNA计算演化而来的DNA计算机，与传统电子计算机相对有着很多优势，例如体积小、存储量大、运算快、能耗低、并行性等。

和当今电子领域使用的硅电路不同，DNA电路的商业应用，仍然有很长的路要走。目前，“试管计算机”只能做一些有限运算，且时间运算时间较长，无法和现代个人电路或者其他传统设备进行竞争。

但是，DNA电路比传统硅电路，体积小很多。而且，DNA电路可以在潮湿环境中运行，有利于在血液、汤汁、狭窄的细胞内进行计算。

杜克大学在这方面也有所建树，他们设计的合成DNA链，以恰当浓度在试管内进行混合，然后形成模拟电路，当分子链接形成和打破的时候，进行加、减、乘运算。大多数DNA电路是数字的，而该设备则通过测量不同浓度的特定DNA分子，以模拟方式进行运算，无需将特定的电路事先将其转化为0或者1。

另外，美国佐治亚大学和以色列本古里安大学的研究人员，也演示了通过单个DNA分子制造纳米级电子组件，这是一项有望代替硅芯片的更高级的技术。

还有，麻省理工学院的一组研究人员也开发过一种新技术，它在活的细胞中，集成模拟和数字两种计算方式，让细胞可以形成基因电路，进行复杂的运算操作。

• 新工艺

前不久，我介绍过美国麻省理工学院发明的「芯片自组装技术」，在芯片上绕了几圈自组装线缆，并配合使用「共聚物」这种新型材料，对预定义的设计和结构进行扩展和自组装。麻省理工学院声称，这项自组装技术能够完全利用现有的生产技术实现，并且这项技术有望部署到7纳米工艺中去。

另外，英国埃克塞特大学也使用过一种「微流体技术」进行芯片生产。这项技术利用一系列微管道控制微量液体的流动和方向。流体中含有氧化石墨烯薄片，在管道中和液体混合在一起，以便在CMOS光子电路上，对于二维材料进行晶圆级的集成。

这些新的芯片制造技术，比传统芯片的生产方法更加简单且低成本，它将为新一代的计算机在速度、效率和容量方面带来了革命性变化。

另外，半导体制造设备的性能提升，对于芯片性能的改善和成本的降低也很有帮助，我以后将另外专门讨论这个问题。

• 多核技术

仅提升单核芯片的速度，势必会产生过多热量，而无法带来相应的性能改善。所以，多核技术便随之产生，多内核是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎（内核）。单芯片集成了多个内核，可提升执行程序的并行性。多个内核并行执行代码，可提高主频，降低功耗。所以，各大芯片厂家都纷纷推出了它们各自的多核处理芯片。

去年，加州大学戴维斯分校电子和计算机工程系的团队，开发了一种微芯片，它包含了1000核的处理器芯片“KiloCore”，具有最大计算速率达每秒1.78万亿次指令，包含62100万个晶体管。

另外，多核架构基础上，要让软件更好地运行，必须创建有利于软件运行的构架，例如增加核间通信、开发适合并行编程的多核芯片，我之前介绍过的麻省理工学院开发的“Swarm”芯片就是一个很好的例子。

当然，多核芯片的应用还需要软件开发人员开发配套多核芯片的操作系统、编程语言、应用程序。

结论

当然，出路不仅仅在这些，对于半导体产业的明天，我是深有信心的，因为希望在于不断的创新和改进。同时，我也将和大家一起关注半导体领域的更多技术前沿，也欢迎大家的建议、意见、指正和探讨。

摩尔定律，是生存还是毁灭？结合以上的分析，在这里分享我的一点思考：

未来，或许摩尔定律将有更多新希望，或许将被其它定律取代，更有可能有些新技术将颠覆传统半导体产业的格局和发展思路，我们拭目以待！

交流

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