行业观察:摩尔定律历经40载何时会失效?

 

　　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。