摩尔定律已经走到尽头？

Posted 2022-02-22 strongerHuang

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直接来源 | 半导体行业观察

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至少过去十年来，人们就一直在谈论摩尔定律的终结以及这将对现代社会产生什么样的影响。 

自 1947 年发明以来，晶体管就持续为现代世界提供动力，而硅芯片上封装的晶体管数量在密度上稳步增长，这使得过去 70 年里的计算能力呈指数级增长。

然而，晶体管是一个物理对象，并且是纯粹的物理对象，它像其他所有物理对象一样受物理定律的约束，这意味着晶体管的尺寸存在物理限制。 

但在戈登·摩尔（Gordon Moore）就计算能力的增长速度做出他著名的预测时，没有人真正考虑过纳米尺度的晶体管。 

但随着我们进入 21 世纪的第三个十年，我们对在相同数量的硅中封装更多晶体管的依赖正在突破物理可能的界限，导致许多人担心已经让我们成为习惯的创新步伐可能会在不久的将来戛然而止。

晶体管的历史

晶体管是一种半导体，通常具有至少三个可以连接到电路的端子。通常，其中一个端子负责控制通过其他两个端子的电流，这允许在数字电路中快速切换。

在晶体管出现之前，这种快速的电路切换是使用热电子阀完成的，热电子阀通常被称为旧式真空管。 

这些真空管三极管比晶体管大得多，并且需要更多的功率才能运行。与晶体管不同，它们不是“固态”组件，这意味着它们在正常运行期间可能会发生故障，因为它们依赖于在管内流动的电子运动来传导电子电流。

这意味着基于真空管的电子设备体积大、温度高且运行成本高，因为它们需要定期维护以更换因某种原因而发生故障的电子管，从而使整个电子机器停止运行。

晶体管是在 AT&T 的贝尔实验室由 John Bardeen 和 Walter Houser Brattain 在 William Shockley 的监督下“发明”的。尽管在此之前，晶体管的概念已经存在了大约 20 年——但直到贝尔实验室完成这项工作后，才建立了晶体管的工作模型。Shockley 在 1947 年的设计上改进了 1948 年的双极结型晶体管，正是这种实现在 1950 年代首次投入批量生产。 

下一个重大飞跃是硅表面钝化，它允许硅取代锗作为晶体管的半导体材料，后来又用于集成电路。 

1959 年 11 月，贝尔实验室的 Mohamed Atalla 和 Dawon Kahng 发明了金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) ，它比 Shockley 的双极结型晶体管消耗的能量少得多，而且可扩展性更强。

MOSFET 仍然是当今使用的主要晶体管，并且作为一个单独的单元，是人类历史上制造最多的器件。由于 MOSFET 可以做得越来越小，越来越多的晶体管可以制造成集成电路，从而实现越来越复杂的逻辑操作。

到 1973 年，RCA 研究与工程执行副总裁 William C. Hittinger吹嘘“在只有几毫米宽的硅‘芯片’上放置了 10,000 多个电子元件。” 今天的晶体管密度远远超过这些早期的进步数量级。

戈登摩尔无意中发明了摩尔定律

Gordon Moore 并不是一个家喻户晓的名字，但他的作品几乎遍布工业化世界的每个家庭和办公室。尽管他将继续成为英特尔公司的总裁，并最终成为其名誉主席，但当他在 1965 年描述我们现在所说的摩尔定律时，他并没有那么受人尊敬。

作为一名电气工程师，摩尔曾在贝克曼仪器公司的肖克利半导体实验室部门工作，然后由肖克利本人领导。但后来， Shockley 的几名员工，甚至是他的一些门徒，都对 Shockley 的领导层产生不满，于是他们于 1957 年独立成立了Fairchild Semiconductor，这是历史上最有影响力的公司之一。

作为飞兆半导体的研发总监，摩尔是询问行业现状的自然人，因此 1965 年《电子》杂志请摩尔预测十年后半导体行业的发展方向。看看 Fairchild 的创新速度，摩尔只是及时地向前推断。

自飞兆半导体开始制造半导体以来的几年中，生产组件的成本下降，组件本身的尺寸每年减少约一半。这使得 Fairchild 每年生产的集成电路数量一样多，但晶体管数量是前一年的两倍。

2013 年，戈登·摩尔

“我没想到这个估计会很精确，”摩尔在 1995 年写道。“我只是想传达一个想法，即这是一项有未来的技术，从长远来看，它有望做出相当大的贡献。”

“我认为这对行业来说确实是一项了不起的成就。保持这样的指数增长 35 年，而密度却增加了数千，这确实是很难有把握地预测的，”摩尔补充道。

摩尔的预测在大约十年内基本保持稳定，之后摩尔将他的估计修改为每两年将晶体管密度翻一番。“我从未能够看到未来几代[半导体]之外的任何细节。然而，令人惊讶的是，一代又一代地不断涌现，使我们保持在同一个斜坡上，”摩尔写道。“目前的预测是，这也不会很快停止。” 这在 1995 年可能是正确的，但不久之后摩尔定律很快就会开始突破物理学的界限，它将开始面临生存挑战。

为什么摩尔定律陷入困境？

站在2022 年看摩尔定律，其问题在于晶体管的尺寸现在非常小，以至于我们无法做更多的事情来使它们更小。根据台湾半导体制造公司 2024 年的生产路线图，晶体管栅极（电子作为电流流过的晶体管部分）的宽度现在接近 2 纳米。

一个硅原子的宽度为 0.2 纳米，这使得 2 纳米的栅极长度大约有 10 个硅原子。在这些尺度上，随着各种量子效应在晶体管本身内发挥作用，控制电子的流动变得越来越困难。对于较大的晶体管，原子尺度上的晶体变形不会影响电流的整体流动，但是当你只有大约 10 个原子距离可以使用时，底层原子结构的任何变化都会影响电流通过晶体管。最终，晶体管正在接近我们所能制造的尽可能小并且仍然可以工作的地步。我们一直在构建和改进硅芯片的方式即将进行最后一次迭代。

摩尔定律还有另一个潜在的陷阱，那就是简单的经济学。缩小晶体管的成本并没有像 1960 年代那样降低。充其量，它在一代又一代地略有下降，但规模不经济开始影响制造。当对半导体芯片的需求刚起步时，生产芯片的工程能力很昂贵，但至少是可用的。随着从智能手机到卫星再到物联网的需求猛增，没有足够的容量来满足这种需求，这导致供应链每一步的价格都上涨了。

更重要的是，当晶体管的数量增加一倍时，它们产生的热量也会增加。对于作为最先进处理芯片的最大购买者的许多企业来说，冷却大型服务器机房的成本越来越难以承受。随着企业试图延长 其现有设备的寿命和性能以节省资金，负责实现摩尔定律的芯片制造商带来的用于研发的收入减少了——而研发本身也变得更加昂贵。

如果没有额外的收益，就更难克服进一步缩小晶体管的所有物理障碍。因此，即使物理挑战不会终结摩尔定律，但对更小晶体管的需求不足几乎肯定会终结。

那么我们在做什么呢？

嗯，这就是目前价值万亿美元的问题。在过去的 70 年中，我们经历了前所未有的技术进步，因此在这一点上，几乎每个工业化社会都将快速的技术进步视为既定条件。 

你怎么突然停下来？那会是什么感觉？30 年拥有相同的 iPhone 意味着什么？显然，我们可以简单地将其作为一个社会来处理。我们的 DNA 中没有任何东西要求我们每两到三年拥有一部新 iPhone，每五年拥有一部全新的电脑。我们只是已经习惯了这种进步的速度，如果这种速度发生变化，我们也会使自己适应这种情况。 

毕竟，人类拥有计算机的时间只有不到一个世纪，大约是我们作为一个物种在这个星球上存在的时间的 1/250,000。我们一定会找到办法来度过如此艰巨的艰辛。

或者，我们可以兴奋和期待地期待摩尔定律的终结。毕竟，逆境是发明之母。在过去的 70 年里，我们一直在试图弄清楚如何越来越多地缩小晶体管，而现在这条创新之路已经走到了尽头。 

这绝对不是唯一的前进方向，如果我们不再把所有的努力都放在缩小晶体管上，我们可以把精力放在其他领域，发现新的突破，相比之下，晶体管的发明可能显得平庸。在探索这些新的创新途径之前，我们不会知道，而摩尔定律的终结可能是我们需要的信号，即是时候开始寻找新的进步引擎了。

摩尔定律已死！摩尔定律万岁！

归根结底，摩尔定律从一开始就不是一个“定律”，而更像是一个自我实现的愿望。我们预计晶体管密度每年翻一番，然后每两年翻一番，因此我们寻找如何完成这项任务。

无论接下来是什么，无论是量子计算、机器学习和人工智能，甚至是我们甚至还没有名字的东西，我们都会找到一个新的愿望来推动这种创新向前发展。

归根结底，我们对摩尔定律的着迷从来都不是晶体管的密度。大多数听说过摩尔定律的人甚至无法开始解释晶体管密度的含义，更不用说互锁晶体管如何形成逻辑电路或口袋里的智能手机是如何工作的（或者甚至是 1970 年代的袖珍计算器） . 对于我们大多数人来说，摩尔定律始终是关于我们对进步的期望，而这在很大程度上取决于我们自己。

摩尔定律可能已经走到了尽头，但如果我们非常想要它，我们会找到一个新的摩尔定律。

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