摩尔定律失效后的预想

ranqy374

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IvyBridge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。
鉴于芯片产业面临的技术挑战，业内不时会出现悲观情绪。网络杂志Slate 2005年刊发了一篇标题为《摩尔定律终结》(The Endof Moore'sLaw)的文章；纽约时报1997年刊文称，“令人难以置信的不断缩小的晶体管接近极限：物理规律”，在另外一篇文章中引用SanDisk首席技术官的话预测称摩尔定律将于2014年遭遇“墙壁”；即使英特尔也表示在开发16纳米工艺时会遇到麻烦。过去数十年，摩尔本人也曾担忧如何利用1微米、0.25微米工艺生产芯片。
芯片生产确实存在着基本限制。例如，量子力学描述的被称作隧道效应的现象。从芯片设计角度看，这意味着电子能够从源极跳跃到漏极，芯片将因泄露电流而不能正常工作。
那么摩尔定律会失效吗？摩尔在2007年接受采访时作出了肯定回答，“任何高速增长的物理量都会有上限，过去，芯片产业已经克服了许多困难，但我认为，在未来10年或15年，芯片开发将遭遇上限。”
摩尔接受采访是在5年前，几乎没有人会冒险预测摩尔本人所预测的时间之后的情况。市场研究公司Moor Insights &Strategy分析师帕特里克·摩尔希德(PatrickMoorhead)说，“我认为至少10年后我们才会遇到问题。”芯片技术公司MearsTechnologies创始人、总裁罗伯特·米尔斯(Robert Mears)说，“我认为摩尔定律还将在未来10年起作用。”
尽管如果晶体管不能继续“瘦身”，摩尔定律就会失效，芯片产业的后硅元素时代不应当被忽视。当传统硅晶体管最终不能继续发展后，芯片还可以采用其他多种元素。
英伟达首席科学家比尔·达利(Bill Dally)表示，“最可能的结果是，硅晶体管能继续‘瘦身’，某些技术能继续带来更高的价值。”