隨著芯片體積不斷縮小，半導(dǎo)體技術(shù)也在走向物理學(xué)極限，本文主要來探討這一問題，描述了摩爾定律失效所造成的影響以及計算機(jī)科學(xué)家們?yōu)橥瓿杉夹g(shù)突破正在尋找的新技術(shù)方法。

1960年，賓夕法尼亞大學(xué)舉辦了一場影響深遠(yuǎn)的國際晶體管電路研討會，一位名為道格拉斯·恩格爾巴特（Douglas Engelbart）的年輕電腦工程師在這次會議上大放異彩，他提出了看起來簡單但卻振聾發(fā)聵的“縮小”概念，對業(yè)界產(chǎn)生了重要影響。

恩格爾巴特博士隨后還在鼠標(biāo)的發(fā)明和其他重要的計算機(jī)科技上立下了汗馬功勞。他還從理論上闡明，隨著電路尺寸越來越小，元器件速度將會越來越快，能耗和制造成本也會越來越低，而這一切都呈加速發(fā)展態(tài)勢。

那天坐在觀眾席上的就有著名的Intel之父戈登·摩爾（Gordon Moore）。1965年，摩爾成功量化了縮小概念并提出了影響整個計算機(jī)時代的摩爾定律。他預(yù)測十年之內(nèi)半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍，計算機(jī)的處理能力也將獲得大幅提高。

摩爾的觀點首次發(fā)表在1965年4月的《Electronics》雜志上，后來被世人稱為摩爾定律。實際上它不是一條科學(xué)定律，而是對新興的電子產(chǎn)業(yè)的觀察報告。在隨后的半個世紀(jì)里，摩爾定律都一直是業(yè)界的金科玉律。

在60年代早期，一個寬度僅有棉纖維大小的晶體管，成本都可達(dá)到8美元（刨除各種因素后量化為現(xiàn)在的美元）。半個世紀(jì)后，指甲蓋大小的芯片便可集成數(shù)十億個晶體管，一美分就能買一堆晶體管。

計算機(jī)芯片更快更小更強(qiáng)的發(fā)展讓硅谷迅速成長，并由此改變著世界，從計算機(jī)到智能手機(jī)，再到我們生活中無處不在的互聯(lián)網(wǎng)。

不過最近幾年，芯片的發(fā)展速度有所減慢，摩爾定律開始不準(zhǔn)了。大約十年前，芯片的速度就開始停滯不前，新款產(chǎn)品的迭代時間開始變長，晶體管成本也不再下降。

許多專家認(rèn)為未來芯片的迭代會變得更慢，其間隔可能會達(dá)到2.5-3年。若按現(xiàn)在的速度繼續(xù)發(fā)展，到21世紀(jì)20年代中期，晶體管的尺寸將僅有單個分子大小，晶體管也將變得非常不穩(wěn)定，若沒有新的技術(shù)突破，摩爾定律將會徹底終結(jié)。

博通公司首席技術(shù)官Henry Samueli表示：“摩爾定律已經(jīng)頭發(fā)花白，步履蹣跚了。它還沒死，但是時候退休了。”

1995年，摩爾博士就對定律做了修改，將晶體管數(shù)量翻番的時間改為了兩年，而且他認(rèn)為摩爾定律能有這么久的生命力已經(jīng)很了不起了。在摩爾定律五十周年紀(jì)念會議上他說道：“最初預(yù)計該定律的有效期僅有十年，現(xiàn)在已經(jīng)超額完成任務(wù)了?！?/p>

但真正困擾我們的問題是，如果提高速度、降低能耗和價格的路走不通了，未來會出現(xiàn)什么情況呢？

若該情況成真，恐怕受到影響的將不止是計算機(jī)產(chǎn)業(yè)。Intel前電子工程師Robert P. Colwell說：“以汽車產(chǎn)業(yè)為例，過去三十年來推動其不斷創(chuàng)新和進(jìn)步的也是摩爾定律。”汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新（如引擎控制器、防抱死剎車、導(dǎo)航、娛樂和安全系統(tǒng)等）都與價格逐步降低的半導(dǎo)體息息相關(guān)。

而永葆青春的硅谷對這種擔(dān)憂完全免疫。過去三十年來，業(yè)界都認(rèn)為芯片的速度會更快、容量更高、價格也會更低。人們將這個時代定義為互聯(lián)網(wǎng)時代，甚至許多硅谷人認(rèn)為我們不久之后就會見證奇點到來，到時計算機(jī)的運算處理能力將超過人類大腦。

Colwell說：“在計算機(jī)的進(jìn)化過程中，人們已經(jīng)形成了思維定勢，他們會不假思索地購買最新的硬件，因為他們相信芯片在不斷進(jìn)步。”而我們的半導(dǎo)體技術(shù)正在走向物理極限。

芯片由金屬線和半導(dǎo)體材料制成的晶體管組成，最先進(jìn)的晶體管和走線的寬度甚至小于可見光的波長，電子開關(guān)更恐怖，其尺寸比生物病毒還小。

現(xiàn)在的芯片采用光刻工藝制造而成，光刻技術(shù)自50年代末發(fā)明以來一直在不斷進(jìn)步。而今天，紫外激光技術(shù)讓光刻工藝步入了一個新的階段，讓生產(chǎn)商可以直接在芯片上通過金屬掩膜蝕刻電路，就像畫地圖一樣。

而每一副“地圖”就代表一種電路圖案模型，之后在對其上的金屬和半導(dǎo)體進(jìn)行沉積或侵蝕操作就完成了光刻過程。隨后這些“地圖”就可以在量產(chǎn)中被復(fù)制到直徑約一英寸的拋光晶圓上。

光刻機(jī)售價約為每臺5000萬美元，可以在晶圓表面刻出所需的電路圖案。要完成一塊芯片的制作，至少要經(jīng)歷50道曝光工序，金屬掩膜更是要與這些圖形設(shè)計配合得天衣無縫，否則，生產(chǎn)過程中就會小錯誤不斷，導(dǎo)致良品率下降。

“各種半導(dǎo)體工藝我都有所涉獵，但光刻機(jī)絕對是其中技術(shù)難度最高的?！盇lan R. Stivers說道，他1979年起就開始在Intel摸爬滾打，2007年退休，他在Intel的各代芯片研發(fā)中居功至偉。

為了進(jìn)一步縮小設(shè)備尺寸，芯片制造商們費盡了心思，甚至都用上了沉浸式光刻機(jī)，它可以用水來彎曲光波，從而提高分辨率。另外，他們還采用了多模式光刻技術(shù)，這樣就可以通過單獨的掩膜來銳化邊緣并進(jìn)一步縮小走線和其它元器件的尺寸。

由于元器件和走線的尺寸已經(jīng)縮小到分子級別，工程師只好在設(shè)計中采用計算機(jī)模擬技術(shù)，該技術(shù)需要超強(qiáng)的計算能力?！斑@簡直是在戲耍物理學(xué)?！痹O(shè)計自動化軟件廠商Mentor Graphics的首席執(zhí)行官Walden C. Rhines評論說。

如果恩格爾波特的“縮小”理論無以為繼，大型芯片廠商該何去何從呢？出路之一就是轉(zhuǎn)向軟件或全新的芯片設(shè)計，以原有得晶體管數(shù)量實現(xiàn)更高的計算性能。說不定由此支撐摩爾定律半個世紀(jì)之久的傳統(tǒng)模式還會煥發(fā)新的生機(jī)一段時間。

哈佛大學(xué)計算機(jī)科學(xué)家David M. Brooks說：“如果硅是我們作畫的畫布，那么工程師們可以做到更多，而不僅僅是縮小晶體管的大小?！?/p>

未來特殊材料也有可能取代硅，并在更小的晶體管、新型存儲器和光通訊設(shè)備中扮演重要角色。

另外，我們還有許多全新技術(shù)，例如量子計算，如果能真正成熟，就將大幅提高運算速度；而自旋電子學(xué)將會把計算技術(shù)帶入原子級元器件時代。

最近，極紫外光刻技術(shù)（EUV）在業(yè)界造成了不小的震動。如果該技術(shù)獲得成功，芯片的元器件便可進(jìn)一步縮小，其制造過程也能大大簡化。不過商用化過程中的各類試驗證明該技術(shù)暫時還不夠成熟。

今年早些時候，荷蘭光刻機(jī)制造商ASML（Intel有其股份）表示，它們已經(jīng)獲得了一家美國客戶的EUV大單，大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為這個大戶就是Intel。這也就意味著Intel在制造工藝方面又取得了一個身位的領(lǐng)先優(yōu)勢。

Intel的高管依然堅持自己的既定策落，未來將繼續(xù)降低芯片的成本，而其主要競爭對手三星、臺積電則認(rèn)為晶體管價格已經(jīng)趨于穩(wěn)定。面對對手的強(qiáng)有力競爭，Intel依舊信心滿滿，但它也做不到完全無視物理學(xué)。

因為半導(dǎo)體電路蝕刻過程中使用的材料多數(shù)都對紫外線異常敏感，所以必須采用黃色光源。Shulaker正在斯坦福大學(xué)對開發(fā)新晶圓，該晶圓搭載了全新的電路。

Colwell說：“即使Intel這樣的超級巨頭在摩爾定律即將崩塌時也會束手無策?！?/p>

今年七月Intel就表示旗下最新的10納米（人的頭發(fā)直徑就達(dá)到了75000納米）制程芯片的發(fā)布會將推遲到2017年。這打破了Intel傳統(tǒng)的tick-tock戰(zhàn)略（即奇數(shù)年更新制作工藝，偶數(shù)年更新微架構(gòu)）。

Intel首席執(zhí)行官Brian Krzanich在一次分析師電話會議上表示：“最近的兩次技術(shù)轉(zhuǎn)換已經(jīng)表明我們的更新周期從兩年延長到了兩年半?！?/p>

從樂觀的角度來看，芯片開發(fā)腳步的放緩會帶來更加激烈的競爭和創(chuàng)新。處于領(lǐng)先地位的四大芯片廠商Intel、三星、臺積電和GlobalFoundries都擁有自己的制造工廠，而許多小型半導(dǎo)體公司可沒這份運氣。

哈佛商學(xué)院教授David B. Yoffie說：”不過技術(shù)進(jìn)步的放緩可能會給這些小廠帶來一絲喘息的機(jī)會，因為他們可以參與技術(shù)較低的市場競爭?！?/p>

即使晶體管尺寸的縮小無法帶來速度和價格上的優(yōu)勢，也會換來功耗的降低。預(yù)計超低功耗電腦芯片會在2020年前問世，屆時可能電池都不再是必需品了，因為太陽能、振動、無線電波甚至汗液都能為其供電。

這樣的芯片會催生什么樣的產(chǎn)品呢？現(xiàn)在我們還不得而知，不過設(shè)計師們不能再依靠處理器性能的提升了，他們不得不在產(chǎn)品開發(fā)中換一種思路。托摩爾定律的福，計算機(jī)尺寸變得越來越小，但設(shè)計方面并沒有什么大的突破，依舊是以處理器為中心，軟硬件結(jié)合的產(chǎn)品。

“過去設(shè)計師們都被慣壞了，懶散得很。”蘋果前高管Tony Fadell說道，他曾主導(dǎo)了初代iPod的設(shè)計工作，而后出走蘋果創(chuàng)立了智能家居制造公司Nest Labs。

物理學(xué)家Carver Mead（摩爾定律一詞就是他創(chuàng)造出來的）表示：“我們過去基本算是在搭順風(fēng)車，神奇的是這策略居然很有效?！?/p>

話雖如此，摩爾定律也許還能繼續(xù)存活十年時間，如果想要更久，我們就只能在創(chuàng)新的道路上奮發(fā)圖強(qiáng)了。