CPU的摩爾定律是不是因為10納米的限制已經失效了?10納米之後怎麼辦?摩爾軼事

【今年剛過去的4月19日是摩爾定律50周年，展望未來的50年，這個話題的討論也變得更有意義】【多圖預警】【黑科技出沒】

正好有相關的作業，整理了來答一下。

• 從1958年Jack Kilby發明的第一個只包含一個雙極性電晶體、三個電阻和一個電容的集成電路到現如今動輒十億個電晶體的處理器晶片，短短五十幾年的時間集成電路產業以歷史上前所未有的節奏飛速發展。
  
  2014年，半導體生產商共生產製造了250 quintillion（十億個十億，十的18次方，短極差）個電晶體，也就是說去年一年中，平均每秒生產出8 trillion（短極差，萬億）個電晶體。
  
  

• 更重要的是作為目前人類最尖端的科技成果之一，各種各樣的集成電路不停地升級降價、再升級再降價從而以相對低廉的價格讓這項成果為普羅大眾所共同享有。
  
  這一產業著名的經驗法則摩爾定律也因此為大家所熟知。
  
  

• 曾聽過一個不恰當的比方：如果汽車工業也是按照半導體產業的玩法，不妨想像一下您可以用多麼低廉的價格購買到性能神到飛起的汽車。
  
  摩爾定律以平均每年46%的「成長」速率往前推進，而洲際旅行的速度從1900年大型遠洋輪船的35公里每小時左右，上升至1958年波音707的885公里每小時，平均漲幅為每年5.6％。
  
  但在之後很長一段時間裡巡航速度基本上保持不變，波音787隻比707快了幾個百分點。
  
  從1973年到2014年，美國新乘用車（即使在排除SUV和皮卡之後）的燃料轉換效率每年僅提升2.5％，從13.5升到37英里每加侖（即油耗從17.4升每百公里降到6.4升每百公里）。
  
  

  
  

昨天給家裡買電腦選什麼奔騰賽揚的感覺還在眼前，今天新買到的手機上就已經是4核8核傻傻分不清楚了，這是多美好的時代啊！

但是現在問題來了，飛速的發展在看得到的未來就要觸碰到物理極限了，10 納米之後怎麼辦？

先寬寬心，三星總裁在剛剛二月份的ISSCC上發表主題演講表示：直到5nm不會有根本性困難。

那5nm之後怎麼辦？而即使是5nm以上的製程現在真的可以這麼淡定？

下面從三個大的方面比較系統地來介紹下「怎麼辦」：

• 「More Moore」、」「More than Moore」、「Beyond CMOS」

  
  

*（個人作圖僅供參考，如有錯誤敬請指正）

那為什麼會這樣分成三個大的方向？

用這張圖就能更好的理解:

• 「More Moore」做的是想辦法沿著摩爾定律的道路繼續往前推進。
  
  

• 「More than Moore」做的是發展在之前摩爾定律演進過程中所未開發的部分。
  
  

• 「Beyond CMOS」做的是發明在矽基CMOS遇到物理極限時所能倚重的新型器件。
  
  

一、More Moore

「More Moore」延續CMOS的整體思路，在器件結構、溝道材料、連接導線、高介質金屬柵、架構系統、製造工藝等等方面進行創新研發，沿著摩爾定律一路scaling（每兩年左右，電晶體的數目翻倍）。

有一個粗略的估算公式

CMOS scaling rule：To enter the next generation node,

L是特徵尺寸（就是22nm,14nm,10nm等等），P是相應的能耗，是傳播延時。

通過這個公式可以大致推出之後幾代製程的性能參數和Roadmap（roadmap就是大致哪一年做到22nm，哪一年做到10nm，哪一年做到7nm的規劃，如下圖）。

「More Moore」的挑戰在於：

• 無法承受的能耗密度

• 原子尺度的尺寸——物理限制

• 製程、器件的不穩定性和偏差

• 比例縮小並沒有帶來實質的性能提升（每次乘0.7或，後面得到的值之間的差越來越小）

• 高昂的研發和製造成本

二、More than Moore

「More than Moore」側重於功能的多樣化，是由應用需求驅動的。

之前集成電路產業一直延續摩爾定律而飛速發展，滿足了同時期人們對計算、存儲的渴望與需求。

大眾一提到晶片想到的就是CPU、顯卡、英特爾、英偉達、高通，也可能會覺得德州儀器這樣名字的「山東某設備製造「公司應該和晶片沒什麼關係吧。

但是這個世界不是光光只有處理器啊！像下圖所示，一個系統（比如您的手機晶片組）還有很多其他部分的功能模塊，這些橙色的部分還大有文章可做。

• 首先，像上上張有橫縱坐標的圖所顯示的那樣，摩爾定律（主要是數字電路和存儲電路）切下了版圖的一角卻也留下了很大一塊的空白。
  
  那些「空白」部分（比如模電以及後來興起的微機電等等）並不是把MOS FET作為單純的開關來用，也因此和數字電路不停地scaling的玩法不同，當這邊看上去快要玩完的時候那邊說不定還想大幹一場呢。
  
  

• 其次，這些非數字的功能模塊還有不少停留在PCB板級系統層面，還有很大的空間和潛力用比如3D IC等的技術向封裝層面（System in a Package(SiP)） 或是單晶片層面(System on a chip（SoC)）發展。
  
  

  
  

更直觀地理解更高集成度的好處可以參考最新發布的MacBook的主板：

• 最後，也是最重要的，隨著時代的發展，人們對物聯網、生醫電子等等產業的期待和需求越來越大，也就是說，消費者除了對計算、存儲功能還對傳輸、感測、智能化等功能的要求越來越高。
  
  

  
  

這意味著什麼，這意味著商機啊，意味著大筆大筆的錢啊。

比如

• THz IC：現在大家常講的幾G幾G，Tera是Giga的一千倍啊，是不是很快！

• Wireless power transmission：無線充電啊，其實現在IC級的無線充電從工業界商用的角度來講效率還不算高，傳輸距離也還有很大的限制，還有很大的發展空間啊， 如果一款手機只要在有類似WiFi的地方就能自己充電你是不是會馬上衝出去買買買！

• Power converter for energy harvesting：不僅無線充電啊，晶片還能自己從周圍環境吸收能量啊， 是不是吊炸天！

• 生醫電子就不用講了，神馬吹口氣就能測癌症的晶片啦、一滴血就能檢愛滋的晶片啦、會放電刺激你大腦的晶片啦、能在你血管里游來游去的微機電啦！（這方面還有很多很有意思的生醫晶片，有機會再在知乎上給大家詳細介紹）

  
  

等等等，這些例子都不是科幻想像，都是有被具體流片實現驗證的吶！但是為毛我作為消費者還沒有接觸到！炸裂！

因為啊，相對來說，這些技術或者還不夠成熟、或者製造成本過高、或者仍不適合大量生產，還有很大的開發空間，還需要很大的研發投入。

所以，業界學界就有很多人提出，別整天快到頭啦快到頭了的，我們來玩More than Moore好不好，我們繼續賺大錢好不好（切，大錢怎麼會給你們硬體掙，都在人家網際網路公司好不好（純吐槽，羨慕嫉妒沒有恨））。

上面介紹的「More than Moore」其實和去年台積電張忠謀董事長就「下一個發展」所發表的觀點是一致的。

張忠謀說，摩爾定律分析，半導體經過數十年的發展就差不多「要死了」，就算還可以苟延殘喘個5、6年，難道接下來就沒有事情做了嗎？
為半導體產業把脈，張忠謀提出3個發展方向，

• 首先摩爾定律下包括射頻、輸入輸出控制等不需要高階製程的產品可以放在同一封裝上，另外發展高階技術的產品，能將相同製程的不同產品一起封裝的先進封裝技術，讓一顆晶片能整合更多功能，更可以節省空間。
  
  

• 第二，物聯網有機會用到不同的傳感器，去執行測量溫度、偵測環境、感應人體血壓等功能，半導體公司也要必須跟上腳步，掌握這些技術。
  
  

• 最後，他認為未來的產品須要更佳的低功耗功能，甚至功耗要求比智慧型手機低10倍，最好一周只充一次電，這技術也將是半導體公司須要突破的。
  
  

三、Beyond CMOS

那如果"More Moore"哪天真的折騰不下去了，難道就坐等CMOS到頭，賺賺"More than Moore"的錢算啦?當然不會。

作為無論研發投入總量還是占收入比都是最高的幾個行業之一，業界眾公司比如Intel，2014年115.37億美元的研發經費投入都有在布局不遠的以及遙遠的將來。

搜索Ian A. Young、Dmitri Nikonov、Kelin J. Kuhn這些Intel的科學家，您就會發現他們正在研究一些相當炫酷的東西。

這個領域裡還有一位清華出身耶魯的PhD畢業，現在就職於GLOBALFOUNDRIES的科學家An Chen，他在這個方面有很多研究，也是GLOBALFOUNDRIES在International Technology Roadmap of Semiconductors (ITRS)的代表，主持ITRS中the Emerging Research Device (ERD) working group的工作。

15年有編一本新書：《Emerging Nanoelectronic Devices: An Chen, James Hutchby, Victor Zhirnov, George Bourianoff: 9781118447741: Amazon.com: Books》。

Beyond CMOS的主要思路就是發明製造一種或幾種「新型的開關」來處理信息，以此來繼續CMOS未能完成之事。

因此理想的這類器件需要具有高功能密度、更高的性能提升、更低的能耗、可接受的製造成本、足夠穩定以及適合大規模製造等等的特性。

據說知乎爆照會比較多贊，就先po一張（比較全的）玉照。

下面的綜述表格適合想深入了解或是做這方面研究的知友：

作者：薛矽

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