摩爾定律或在2021終結，這會是半導體廠商的噩夢？

2020-10-20

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50年前，英特爾創始人之一戈登·摩爾提出了摩爾定律：集成電路上可容納的電晶體（電晶體）數目，約每隔24個月便會增加一倍。

最近幾十年，這個定律堪稱科技界的鐵律，無論是半導體製造商還是晶片設計商，幾乎都在按照這個規律發展。

但是，最近兩年，以英特爾為首的半導體廠商開始放慢製程的升級疊代之路，而人們也不得不開始討論摩爾定律的預言是否已經失效，半導體廠商又該如何面對這樣的挑戰？

從最近一期的半導體國際技術路線圖上可以看出，到2021年，微處理器內部的電晶體的尺寸縮小的進度不是放緩，而是將停止縮小，這也就意味著推動半導體行業變革的摩爾定律將正式退出歷史舞台。

延續摩爾定律究竟有多難？

實際上，過去幾十年半導體行業也沒有和摩爾定律完全保持一致的節奏。

從1965年到1975年，晶片上的電晶體數量幾乎每年都會翻番；然而在1975年之後，由於技術的限制，周期變為了兩年；到上世紀90年代末，又回到了正規。

而現在半導體廠商又面臨了什麼樣的困難？

目前，半導體製造商最先進的半導體製程已經達到了14nm，正在朝著10nm前進，但這幾乎已經無限接近矽材料的物理極限。

有人會說，未來還會有7nm和5nm，但事實真會如此嗎？

如果繼續按照摩爾定律來研發更高級的工藝製程，會面臨物理和經濟（投入產出比）兩方面的挑戰。

摩爾定律本身是一條物理定律，但是在矽電晶體的尺寸接近10nm的時候，柵氧化層的厚度只相當於十個原子的厚度。

這就會極易產生量子效應，並且導致電晶體的特性難以控制，例如漏電問題。

對半導體廠商而言，這是一堵穿不透的牆。

除此之外，因為電晶體尺寸的縮小，晶片製造成本在逐漸增加，長期以往每顆晶片的毛利率甚至還會低於製造的成本。

很明顯，未來大多數廠商會因投入產出比而選擇更具商業價值的製程。

如何應對？

即便半導體製造商無法進一步縮小電晶體的尺寸，但這並不代表半導體行業就此停滯不前，業內人士認為有兩種方案值得嘗試。

不少業內人士表示，雖然電晶體的尺寸無法縮小，但未來能夠取而代之的是通過堆疊技術來提升電晶體的密度，這一技術成熟後就可同時保證經濟和技術效益。

目前，這樣的3D技術事實上已經在存儲晶片上得到了應用，例如英特爾推出的3DxPoint快閃記憶體技術，它在壽命、存儲速度以及容量密度上都要比傳統快閃記憶體高几個level，另外，三星和閃迪等存儲廠商也已經在這一領域推出了各自的產品。

另外，業界還認為我們可以尋找矽材料的替代品，例如利用新型納米材料可能做出接近分子大小的電路。

為此，國內外已經在著手研究這些新的材料。

這眾多可能成為矽的繼任者之中，石墨烯的呼聲無疑是最高的，任正非就曾公開表示，石墨烯時代顛覆矽時代。

石墨烯之所以能受到業界的青睞，是因為它比矽材料有過之而無不及，它是世界上最薄、導電性能最強的材料。

石墨烯只有一個原子厚，並且具有強度高、導熱和導電效高等優異特性，當石墨烯與與其他元素摻雜或複合也可具有半導體特性。

不過制約石墨烯商業化的是，這種材料目前仍然無法量產，而且石墨烯製備成本也一直居高不下，製造一克石墨烯材料比黃金還要貴出不少。

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