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制造

摩尔定律何时会失效?

据国外媒体报道,1965年,英特尔联合创始人戈登·摩尔(Gordon
Moore)预测,计算机芯片的处理能力每两年就会翻一番。尽管已经过去40多年,摩尔定律仍然有效。


多年来,英特尔科技和制造集团副总裁迈克·梅佰里(Mike
Mayberry)曾不止一次听到相同的世界末日预言:摩尔定律将会失效。梅佰里甚至听到过同事这样说。但是,由于大量像梅佰里这样的材料科学家不断找到
使硅晶体管小型化的新途径和其他替代材料——例如石墨烯,摩尔定律仍然在起作用。


市场研究公司IDC预测,2016年全球芯片销售额将由今年的3150亿美元增长至3800亿美元。数十年来,巨额的芯片销售额吸引芯片研究成果走出实验室,通过工厂,成为被应用在包括从1960年代的大型主机到2012年的iPhone
5在内的各种产品中的芯片。


摩尔定律的寿命远远超过了人们的预期,研究人员的努力使得计算机尺寸越来越小,功能越来越强大。梅佰里说,“如果只使用一成不变的技术,一般来说肯定会遭遇极限。事实上,在过去的40年中,我们每5或7年就会对技术进行大幅改动,因此芯片的处理能力是没有上限的。”


大量其他产业则没有这么幸运,超音速商业性飞机、家用聚变反应堆、每加仑汽油能跑1000英里的汽车都还没有问世。计算产业有其他产业不具备的一个基本灵活性:它处理的对象是数据,而非原子。


芯片厂商Analog Devices首席技术官萨姆·福勒(Sam
Fuller)说,“汽车和飞机处理的是物质世界的对象”,例如乘坐它们的人的大小和质量,“计算和信息处理则不存在这样的限制,数据不存在大小和质量,
不存在其他产业面临的限制。计算产业存在不断向前发展的可能”。


这意味着,即使摩尔定律失效,芯片尺寸不再不断缩小,还有其他途径可以提高计算机性能。但是,包括摩尔本人在内的芯片产业乐天派也认为,未来10年后摩尔定律将遇到麻烦。届时,人们一直预测的物理限制将会显示出威力。


摩尔在1965年的一篇论文中称芯片上集成的晶体管数量每年会翻一番,这就是摩尔定律的雏形。他在1975年的一篇论文中将芯片中集成的晶体管数量翻番的周
期确定为两年。摩尔2005年表示,“我认为摩尔定律并非是精确的”,但实际上摩尔定律还是相当精确的。目前,英特尔根据摩尔定律确定了产品发布周期,一
年更新芯片架构,下一年更新制造工艺。


世界上第一个晶体管1947年在贝尔实验室问世。1964年出现了集成约30个晶体管的芯片,尺寸约为4毫米;英特尔的第三代酷睿i7四核芯片集成有14亿个晶体管,尺寸为160平方毫米。


晶体管就是一个电子开关,与控制电灯的开关相似,栅极(gate)控制着电流能否由源极(source)流向漏极(drain)。电子流过晶体管在逻辑上记为“1”,不流过晶体管记为“0”。一个芯片上整合的数以百万计的晶体管就能通过影响相互的状态来处理信息。


在目前的芯片中,连接晶体管源极和漏极的是硅元素。硅被称作半导体,因为它有时是导体,有时是绝缘体。晶体管栅极上的电压控制着电流能否通过晶体管。为了跟
上摩尔定律的节奏,工程师必须不断缩小晶体管的尺寸。英特尔目前采用22纳米制造工艺,相当于十亿分之二十二米,或者人类头发直径的四千分之一。相比之
下,英特尔1971年推出的首款芯片4004采用10微米(10000纳米)工艺,相当于人类头发直径的十分之一。


英特尔Ivy
Bridge芯片表明了不断缩小晶体管尺寸的难度。为了由早期的32纳米工艺升级到22纳米工艺,英特尔专门开发出了三栅极芯片设计,不但进一步缩小了晶体管尺寸,还降低了能耗。


但是,开发三栅极晶体管并非易事。英特尔研究人员在2002年就开发成功了三栅极晶体管——历经9年才投入大规模生产。这还不是唯一的挑战,其他挑战包括利用金属制造栅极、使用铜而非铝线连接晶体管等。


英特尔计划2013年将制造工艺进一步升级到14纳米,然后是10纳米、7纳米,2019年时升级到5纳米。


不断升级制造工艺的并非只有英特尔。在芯片产业,许多公司依靠合作跟上摩尔定律的发展步伐。利用学术界研究成果、内部开发和业界合作,芯片公司解决了电子隧道效应、电流泄露等大量问题。


鉴于芯片产业面临的技术挑战,业内不时会出现悲观情绪。网络杂志Slate 2005年刊发了一篇标题为《摩尔定律终结》(The End of
Moore"s Law)的文章;纽约时报1997年刊文称,“令人难以置信的不断缩小的晶体管接近极限:物理规律”,在另外一篇文章中引用SanDisk首席技术官的话
预测称摩尔定律将于2014年遭遇“墙壁”;即使英特尔也表示在开发16纳米工艺时会遇到麻烦。过去数十年,摩尔本人也曾担忧如何利用1微米、0.25微
米工艺生产芯片。


芯片生产确实存在着基本限制。例如,量子力学描述的被称作隧道效应的现象。从芯片设计角度看,这意味着电子能够从源极跳跃到漏极,芯片将因泄露电流而不能正常工作。


那么摩尔定律会失效吗?摩尔在2007年接受采访时作出了肯定回答,“任何高速增长的物理量都会有上限,过去,芯片产业已经克服了许多困难,但我认为,在未来10年或15年,芯片开发将遭遇上限。”


摩尔接受采访是在5年前,几乎没有人会冒险预测摩尔本人所预测的时间之后的情况。市场研究公司Moor Insights &
Strategy分析师帕特里克·摩尔希德(Patrick Moorhead)说,“我认为至少10年后我们才会遇到问题。”芯片技术公司Mears
Technologies创始人、总裁罗伯特·米尔斯(Robert Mears)说,“我认为摩尔定律还将在未来10年起作用。”


尽管如果晶体管不能继续“瘦身”,摩尔定律就会失效,芯片产业的后硅元素时代不应当被忽视。当传统硅晶体管最终不能继续发展后,芯片还可以采用其他多种元素。


英伟达首席科学家比尔·达利(Bill Dally)表示,“最可能的结果是,硅晶体管能继续‘瘦身’,某些技术能继续带来更高的价值。”


目前,晶体管的源极、漏极和通道是用硅元素制成的,它们也可以由砷化铟、砷化镓、氮化镓和化学元素周期表上第三和第五族的其他元素制成。来自化学元素周期表
中不同的族,意味着晶体管材料有不同的属性,它们的一大特性是有更高的电子迁移率,这意味着电子迁移速度更快,晶体管速度也可以因此更高。


但福勒指出,这可能仅仅是一个权宜之计,“使用其他材料有一定的潜力,但很快会遭遇硅晶体管遇到的问题。采用新材料可能会使芯片性能提高2、4倍,甚至8倍”。


改进芯片的另一个途径是利用“纳米线”取代硅材料制成的晶体管通道。更大的挑战是使用碳纳米管的可能性,但采用碳纳米管存在许多困难:连接碳纳米管与晶体管其他部分,改进它们的半导体属性,确保碳纳米管的尺寸和构成方式恰当。


后硅时代最有希望的一种晶体管材料是石墨烯。石墨烯可以卷成一个纳米管,平面的石墨烯也能用作半导体材料。石墨烯与碳纳米管相比的一个优势是,它的制造可以
集成在晶圆制造工艺中,无需此后专门组装。另一个优势是石墨烯极高的电子迁移率,如果用石墨烯连接晶体管中的源极和漏极,晶体管的开关速度可以非常高。福
勒说,“我认为石墨烯前景非常好。”


但使用石墨烯存在大量挑战。首先是它缺乏足够的带 隙(band gap)。石墨烯本身带隙为0,意味着它只能导电,不能用作半导体。Mears
Technologies总裁罗伯特·米尔斯(Robert
Mears)表示,“石墨烯有部分非常优秀的属性,但目前没有合适的带隙。石墨烯目前还不能取代硅或其他半导体材料,它是一种优良的连接介质、导体,但不
能做成很好的开关。”


福勒这样描述理想的晶体管“处于闭合状态时,电流通过能力强;处于断开状态时,几乎不消耗任何电能。目前的问题是,石墨烯晶体管很难断开。”


使一种材料具有合适“带隙”有多种途径,其中包括将两块分离的石墨烯组装成“纳米丝带”(nanoribbons),采用不同的晶体管栅极。如果科研人员能
解决这些问题,石墨烯制成的晶体管可能尺寸不会更小,但速度会更快。福勒说,“我们还处于探索利用石墨烯的早期阶段,就像是1950年代探索利用硅元素那 样。”


另外一种更激进的技术被称作自旋电子学,信息利用电子一种被称作自旋的属性在芯片内传输信息。福勒说,“如果可以利用电子自旋属性,而非电荷存储‘1’和‘0’,就不会存在移动电荷存在的热力学极限问题。未来的芯片不会遇到与目前芯片相同的能耗限制。”


依靠光而非电子携带信息的硅光子学技术也可以用于未来的芯片。福勒说,“这可能是芯片间通信,甚至芯片上信息传输的一种优秀技术。目前,芯片能耗中相当大一部分都用于芯片间同步,但一些有前景的研究项目在利用硅光子学技术解决芯片同步问题。”


米尔斯说,硅光子学技术的传输距离存在限制。问题是:光的波长大于芯片中连线的宽度,“尽管这曾经是我的主要研究项目之一,我并不看好采用硅光子学技术的芯
片。硅光子学技术适合远距离通信,但不适合制造逻辑门。如果要制造或非门或与非门,需要采用电子学技术,传输数据时需要将电子信息再转换为光子信息”。


此外,研究人员还在研究其他计算技术,例如量子计算、DNA计算、自旋波设备等,但哪种技术能笑到最后尚不得而知。



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