摩尔定律其实是个欲望定律

摩尔定律其实是个欲望定律

摩尔定律或许会失效，但人类的欲望是没有穷尽的。厂家总得想着法地取悦消费者，打出新噱头，玩出新花样。或许，这也是人类进步的动力吧。

小伙伴们经常感叹，现在的电子产品更新换代速度太快了，根本跟不上产品更新的速度，苹果6刚用了几个月，6s就出来了。如果不是不差钱的土豪，谁也不会冲动到每逢新品上市必买。

电子消费品确乎是一个很神奇的领域，和衣服、汽车、食品等消费品相比，电子产品遵循着一个线性上升的更新逻辑。一个时尚服装品牌，新款和旧款的区别可能只在于外观样式，而面料、御寒等功能很可能是类似的；一种食品，新款和旧款的区别可能也只在于包装和口味，食材、配料可能差别很小。但对于智能手机或电脑等电子消费品，除了系统功能的完善和外观工艺的更新外，一直存在着一个线性的增长规律，即机器的运行速度，一个手机品牌，新旗舰肯定要比旧的速度更快，处理器的工艺要更先进，晶体管数量更多。

这个线性增长规律，也就是科技界那个著名的摩尔定律。1965年英特尔创始人戈登·摩尔预言芯片上集成电路的晶体管数量，每隔两年就会翻一番。原始的说法大致如此，后来被演化成多种表达，比如芯片速度每两年增加一倍，价格每两年降低一半，或者每隔18个月芯片就会更新换代。1971年世界上第一颗商用微处理器英特尔4004诞生，其工艺是10微米，晶体管数量仅仅是2250个；40多年后，苹果iphone6的A8处理器工艺做到了20纳米（10微米的500分之1），晶体管数量达到了惊人的20亿个，速度当然也是不可同日而语。

在摩尔定律的支配下，芯片厂家不停地改进工艺，提升速度，而终端厂家则不停地跟进。放眼现在的智能手机品牌，谁的年度旗舰要是不采用最先进的处理器，都不好意思开发布会；谁要是不把高通骁龙820塞到手机里，还张口要价2500+，非得被骂晕不可。

但话说回来，这电子产品的线性增长，总得有个头儿啊。处理器能无限地快下去吗？那么快有什么用呢？晶体管的工艺已经逼近极限了，再小的话就得单个原子上了，都不具备基本的物理性质了，这个怎么破？实际上，这些担心，正是大家经常挂在嘴边的摩尔定律失效问题。即增长到一定的程度后，摩尔定律不再成立了。据说英特尔已经打破了自己处理器升级策略，不再一味地增加晶体管数量、缩小制程了，而是转而不断优化结构，这或许意味着，英特尔这个芯片巨头正在亲手终结摩尔定律。与此同时，不少芯片厂商已经在探索原子级晶体管的工艺，也有的在摸索石墨烯晶体管或量子计算等更前沿的威廉希尔官方网站 了。更新的计算或芯片威廉希尔官方网站 ，对于量变式的摩尔定律升级逻辑来讲，已经算是质变了，一旦这些威廉希尔官方网站 成熟了，那摩尔定律似乎真的要退出历史舞台了。

有位观察者说得好，硬件性能再强劲，也让软件给吃的一干二净，所以虽然有时人们觉得几年前的老款手机用着也挺高兴，但对另一部分人来讲，硬件性能总是不够用，总是等着下一代。一句话，摩尔定律或许会失效，但人类的欲望是没有穷尽的。厂家总得想着法地取悦消费者，打出新噱头，玩出新花样。或许，这也是人类进步的动力吧。

来详细了解一下摩尔定律的前世今生。

摩尔定律的前世今生

摩尔定律的前世今生

1965年，Intel公司创始人戈登。摩尔（Gordon Moore）著文指出，芯片中晶体管的数量每年会翻番，半导体的性能与容量将以指数式增长，这就是摩尔定律的雏形。1975年，摩尔修正了该定律为：每隔24个月晶体管的数量将翻番。晶体管数量翻倍带来的好处就是：更快、更小、更便宜。这就引出了摩尔定律的经济学效益，因为对芯片来说，集成度越高，晶体管的价格就越便宜。在20世纪60年代初，一个晶体管要10美元左右，随着晶体管越来越小，小到一根头发丝上可以放1000个晶体管时，每个晶体管的价格只有千分之一美分。在摩尔发表这篇文章的年代，芯片的集成度只有几十个晶体管，在以后的26年时间里，芯片集成的晶体管数量增加了3200多倍，从1971年推出的第一款Intel 4004处理器的2300个增加到奔腾II处理器的750万个，英特尔最新的Itanium芯片已集成有17亿个硅晶体管。

摩尔定律问世至今已近50年了，人们有理由怀疑，摩尔定律是否快走到头了？半导体工艺制造威廉希尔官方网站 水平在以令人目眩的速度提高，晶体管的几何尺寸不可能无限制的缩小下去，总有一天会达到极限。业界已有专家预计，摩尔定律可能还有十年的持续发展，但每单位晶体管成本下跌的速度将随之减缓，无法再像过去一样快速降低了。其制约的因素一是威廉希尔官方网站 ，二是经济。 目前65~180nm节点是最普遍的工艺威廉希尔官方网站 ，但有大量转向28nm的趋势。为什么呢？因为28nm工艺可能是最后一个能为客户带来更低成本、更低功耗，更高性能的工艺节点。随着晶体管降价速度减缓，半导体的价格很可能要提高，只有提高价格才能使芯片制造商能够回收投资，这就是经济原因。在高性能、低功耗和低成本这三个因素中，只能选择其中的两个。英特尔在一次GSA年会中指出，10nm工艺节点可能就是摩尔定律的终点。台积电张忠谋更是语出惊人：摩尔定律大概只能再苟延残喘5~ 6年时间， 7nm后摩尔定律就不起作用了。

为什么大家都把10nm节点看做摩尔定律的终点，因为在10nm节点内半导体每单位成本仍可依循摩尔定律下降。这就是“木桶理论”里的“短板”概念，一件事情的成功不是取决于最完美的部分，而是取决于它的薄弱环节。小于10nm的工艺节点，传统的多重曝光（Multi-Pattering）威廉希尔官方网站 将不起作用，新一代的光刻威廉希尔官方网站 （EUV或其他）将主宰芯片的成本。这是威廉希尔官方网站 原因。

摩尔定律的演进过程

随着芯片体积的不断缩小，半导体威廉希尔官方网站 开始走向物理极限。指导行业半个世纪的摩尔定律终归会走向失效，但是未来的芯片是什么样的则是众说纷纭、雾里看花。

上世纪80年代的IC设计工艺特征尺寸是5微米。何曾想到今天的tech node（威廉希尔官方网站 节点）已经做到了14nm。一般认为，器件尺寸做到5nm以下时，沟道中的载流子行为将要用量子力学的理论来解释，经典物理学的半导体器件理论将失效。学界和业界的普遍观点认为摩尔定律的极限是7nm，再往下走摩尔定律将失效。

让我们回顾一下各个威廉希尔官方网站 节点的演进过程。一般每一代威廉希尔官方网站 节点的差距是后一代为前一代的0.7倍，这样后一代的面积大约为前一代的一半。由于光刻威廉希尔官方网站 的提升，在把威廉希尔官方网站 节点推到0.13um以下时 ，传统的MOSFET结构就无法scaling down（等比例缩小）下去了，短沟道效应造成载流子迁移率过低，会影响开关速率和开关电流。英特尔有一个成功的威廉希尔官方网站 将载流子的沟道迁移率提升，使摩尔定律前进到65nm（其中包括90nm和65nm两代威廉希尔官方网站 ）。但随着scaling down的进行，只有1nm物理厚度的氧化硅层已经无法再变薄。又是英特尔率先使用了HKMG（high-k metal gate）威廉希尔官方网站 ，又将节点推到了32nm。

32nm以后从材料上改进已经变得很困难，这时候3D结构的晶体管出现了。3D结构就是我们所说的FinFET鳍式场效晶体管。在FinFET的架构中，闸门设计成类似鱼鳍的叉状3D架构，可于电路的两侧（平面结构只能在一侧控制）控制电路的接通与断开。这种设计的最大优点是可以大幅缩短晶体管的栅长度，同时也可以大幅改善电路控制并减少漏电流。英特尔已经在22nm节点上成功量产了3D结构的芯片。在未来的10nm节点上应该还会采用这个FinFET结构，但7nm节点以下就很难说了。

在3D晶体管之后是3D IC的概念。3D IC是将wafer或者chip通过TSV威廉希尔官方网站 连为一层一层的层状结构，这样做的好处是使IC的空间使用率大大增强，仅仅两层就可提升200%的空间使用率！3D IC被视为今后集成电路发展的一个重要方向，而且它的商品CMOS 3D IC Image sensor数码相机也已经实现了商品化。所以即使10nm或者7nm到头使摩尔定律失效，但是新威廉希尔官方网站 依然还会继续发展。

摩尔定律的未来

摩尔定律的未来在哪里？中科院微系统所王曦院士曾提出“超越摩尔定律”概念。在单一的CMOS威廉希尔官方网站 推动下，计算机时代和通讯时代都遵循“摩尔定律”往前走。现在的CMOS“纳威廉希尔官方网站 ”已接近物理极限，例如以传感器为代表的智能感知时代则在依赖“超越摩尔”（MtM--More than Moore）的跨领域融合创新来推动。MtM威廉希尔官方网站 依赖非数字多元威廉希尔官方网站 ，无需遵循“摩尔定律”升级工艺。我们可以大胆预测，MtM威廉希尔官方网站 一定是物联网、可穿戴设备、智慧家庭等新兴领域依赖的基础威廉希尔官方网站 ，在MtM威廉希尔官方网站 融合创新推动下，MtM一定会形成一个方兴未艾的产业。这个产业包括传感器、MEMS、光电、射频、高功率、interwetten与威廉的赔率体系 等领域。

19世纪80年代是铁路呈指数高速增长的年代，上世纪30和40年代是汽车工业指数式发展的年代，飞机制造业也一样，在达到音速之前飞机的性能曾经快速发展。但不管怎样，它们的增长最后都会停下来，半导体也逃不过这个命运。可以预测的是，只有少数的尖端芯片会继续指数式地再发展一两代，比如多核处理器，但我们也许会发现，大量的应用最需要的也许并不是这些最先进的设计。

从经济的角度看，目前建一座12吋晶圆厂需要20-30亿美元，18吋晶圆厂则要花1.4倍之多。由于花不起这笔钱，迫使越来越多的公司退出了芯片这个看起来“高大上”的行业。因此摩尔定律要再维持十年的寿命，也决非易事。

最近，德国一家固体电子研究所PDI与日本NTT基础研究室、美国海军等单位，研制出了世界最小的晶体管，直径是167皮米（0.167nm）。0.167nm是个什么概念呢？是目前已知最先进的IBM 7nm的1/42、人类头发的60万分之一、DNA链的1/15。这是一个在砷化铟晶体上制备的晶体管。这种分子级晶体管的出现，也许说明摩尔定律真的走到极限了！

当然这种分子级晶体管集成到芯片中还是很遥远的事，但我们已经看到在摩尔定律之后芯片的模样。假如真的摩尔定律的路线---提高速度、降低能耗、降低价格—-有一天走不通了，未来受影响的将不仅仅是IT行业，许多与我们生活息息相关的产业都会受到很大影响。还有一种观点是，即使晶体管尺寸的缩小无法带来速度和价格上的优势，也会换来功耗的降低。超低功耗的芯片将会在2020年前问世，超低功耗时代意味着电池都不再是必需品了，太阳能、振动、无线电波甚至汗液都能替代电池为系统供电。

总之，未来不管是more Moore还是more than Moore，威廉希尔官方网站 前进的步伐是不可阻挡的！我们不必为此悲观。