摩尔定律“寿终正寝” 半导体行业发展靠什么？

　　《自然》杂志刊文称，将于下月发布的下一份半导体技术路线图将采用完全不同的方法。早在2014年，国际半导体技术路线图组织已经决定，下一份路线图将不再依照摩尔定律。　　

在“患病多年”后，摩尔定律于51岁“寿终正寝”。

　　1965年，英特尔联合创始人戈登-摩尔(Gordon Moore)观察到，集成电路中的元件集成度每12个月就能翻番。此外，确保每晶体管价格最低的单位芯片晶体管数量每12个月增长一倍。1965年，单位芯片50个晶体管可以带来最低的每晶体管成本。摩尔预计，到1970年，单位芯片可集成1000个元件，而每晶体管成本则将下降90%。

　　在对数据进行提炼和简化之后，这一现象就被称作“摩尔定律”：单位芯片晶体管数量每12个月增长一倍。

　　摩尔的观察并非基于任何科学或工程原理。这仅仅反映了行业发展趋势。然而，在随后的发展中，半导体行业并没有将摩尔定律当作描述性、预测性的观察，而是视为规定性、确定性的守则。整个行业必须实现摩尔定律预测的目标。

　　计算设备体积随着半导体工业发展呈指数式缩小

　　然而，实现这一目标无法依靠侥幸。芯片开发是一个复杂过程，需要用到来自多家公司的机械、软件和原材料。为了确保所有厂商根据摩尔定律制定同样的时间表，整个行业遵循了共同的技术发展路线图。由英特尔、AMD、台积电、GlobalFoundries和IBM等厂商组成的行业组织半导体协会从1992年开始发布这样的路线图。1998年，半导体行业协会与全球其他地区的类似组织合作，成立了“国际半导体技术路线图”组织。最近的一份路线图于2013年发布。

　　摩尔定律提出的预测早在很久之前就已出现过问题。1975年，摩尔本人更新了摩尔定律，将半导体行业的发展周期从12个月增加至24个月。在随后30年中，通过缩小芯片上元件的尺寸，芯片发展一直遵循着摩尔定律。

　　摩尔定律的终结

　　50年来芯片晶体管和工作频率的指数式增长(注：纵坐标为对数坐标)

　　然而到00年代，很明显单纯依靠缩小尺寸的做法正走到尾声。不过，通过其他一些技术，芯片的发展仍然符合摩尔定律的预测。在90纳米时代，应变硅技术问世。在45纳米时代，一种能提高晶体管电容的新材料推出。在22纳米时代，三栅极晶体管使芯片性能变得更强大。

　　不过，这些新技术也已走到末路。用于芯片制造的光刻技术正面临压力。目前，14纳米芯片在制造时使用的是193纳米波长光。光的波长较长导致制造工艺更复杂，成本更高。波长13.5纳米的远紫外光被认为是未来的希望，但适用于芯片制造的远紫外光技术目前仍需要攻克工程难题。

　　即使远紫外光技术得到应用，目前也不清楚，芯片集成度能有多大的提高。如果缩小至2纳米，那么单个晶体管将只有10个原子大小，而如此小的晶体管可靠性很可能存在问题。即使这些问题得到解决，功耗也将继续造成困扰。随着晶体管的连接越来越紧密，芯片功耗将越来越大。