摩爾定律「壽終正寢」 半導體行業發展靠什麼？

《自然》雜誌刊文稱，將於下月發布的下一份半導體技術路線圖將採用完全不同的方法。

早在2014年，國際半導體技術路線圖組織已經決定，下一份路線圖將不再依照摩爾定律。

在「患病多年」後，摩爾定律於51歲「壽終正寢」。

1965年，英特爾聯合創始人戈登-摩爾(Gordon Moore)觀察到，集成電路中的元件集成度每12個月就能翻番。

此外，確保每電晶體價格最低的單位晶片電晶體數量每12個月增長一倍。

1965年，單位晶片50個電晶體可以帶來最低的每電晶體成本。

摩爾預計，到1970年，單位晶片可集成1000個元件，而每電晶體成本則將下降90%。

在對數據進行提煉和簡化之後，這一現象就被稱作「摩爾定律」：單位晶片電晶體數量每12個月增長一倍。

摩爾的觀察並非基於任何科學或工程原理。

這僅僅反映了行業發展趨勢。

然而，在隨後的發展中，半導體行業並沒有將摩爾定律當作描述性、預測性的觀察，而是視為規定性、確定性的守則。

整個行業必須實現摩爾定律預測的目標。

計算設備體積隨著半導體工業發展呈指數式縮小

然而，實現這一目標無法依靠僥倖。

晶片開發是一個複雜過程，需要用到來自多家公司的機械、軟體和原材料。

為了確保所有廠商根據摩爾定律制定同樣的時間表，整個行業遵循了共同的技術發展路線圖。

由英特爾、AMD、台積電、GlobalFoundries和IBM等廠商組成的行業組織半導體協會從1992年開始發布這樣的路線圖。

1998年，半導體行業協會與全球其他地區的類似組織合作，成立了「國際半導體技術路線圖」組織。

最近的一份路線圖於2013年發布。

摩爾定律提出的預測早在很久之前就已出現過問題。

1975年，摩爾本人更新了摩爾定律，將半導體行業的發展周期從12個月增加至24個月。

在隨後30年中，通過縮小晶片上元件的尺寸，晶片發展一直遵循著摩爾定律。

摩爾定律的終結

50年來晶片電晶體和工作頻率的指數式增長(註：縱坐標為對數坐標)

然而到00年代，很明顯單純依靠縮小尺寸的做法正走到尾聲。

不過，通過其他一些技術，晶片的發展仍然符合摩爾定律的預測。

在90納米時代，應變矽技術問世。

在45納米時代，一種能提高電晶體電容的新材料推出。

在22納米時代，三柵極電晶體使晶片性能變得更強大。

不過，這些新技術也已走到末路。

用於晶片製造的光刻技術正面臨壓力。

目前，14納米晶片在製造時使用的是193納米波長光。

光的波長較長導致製造工藝更複雜，成本更高。

波長13.5納米的遠紫外光被認為是未來的希望，但適用於晶片製造的遠紫外光技術目前仍需要攻克工程難題。

即使遠紫外光技術得到應用，目前也不清楚，晶片集成度能有多大的提高。

如果縮小至2納米，那麼單個電晶體將只有10個原子大小，而如此小的電晶體可靠性很可能存在問題。

即使這些問題得到解決，功耗也將繼續造成困擾。

隨著電晶體的連接越來越緊密，晶片功耗將越來越大。

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