【編者注】本文原作者John Markoff，他是《紐約時(shí)報(bào)》科技板塊的專(zhuān)欄作者。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(lái)探討這一問(wèn)題，描述了摩爾定律失效所造成的影響以及計(jì)算機(jī)科學(xué)家們?yōu)?/span>完成技術(shù)突破正在尋找的新技術(shù)方法。

（斯坦福大學(xué)的畢業(yè)生Max Shulaker，自2011年以來(lái)一直在研究一種全新的半導(dǎo)體電路）

1960年，賓夕法尼亞大學(xué)舉辦了一場(chǎng)影響深遠(yuǎn)的國(guó)際晶體管電路研討會(huì)，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(huì)議上大放異彩，他提出了看起來(lái)簡(jiǎn)單但卻振聾發(fā)聵的“縮小”概念，對(duì)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(jì)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(lái)越小，元器件速度將會(huì)越來(lái)越快，能耗和制造成本也會(huì)越來(lái)越低。而這一切都呈加速發(fā)展態(tài)勢(shì)。

而那天坐在觀眾席上的就有著名的英特爾之父戈登·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(gè)計(jì)算機(jī)時(shí)代的摩爾定律。他預(yù)測(cè)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(jì)算機(jī)的處理能力也將獲得大幅提高。

摩爾的觀點(diǎn)觀點(diǎn)首次發(fā)表在1965年4月的《Electronics》雜志上（點(diǎn)擊這里查看原文），后來(lái)則被世人稱(chēng)為摩爾定律。實(shí)際上它不是一條科學(xué)定律，而是對(duì)新興的電子產(chǎn)業(yè)的觀察報(bào)告，在隨后的半個(gè)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(gè)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）。而半個(gè)世紀(jì)后，指甲蓋大小的芯片便可集成數(shù)十億個(gè)晶體管，一美分就能買(mǎi)一堆晶體管。

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

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

許多專(zhuān)家認(rèn)為未來(lái)芯片的迭代會(huì)變得更慢，其間隔可能會(huì)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(gè)分子大小，晶體管也將變得非常不穩(wěn)定，若沒(méi)有新的技術(shù)突破，摩爾定律將會(huì)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(méi)死，但是時(shí)候退休了?！?/p>

1995年，摩爾博士就對(duì)定律做了修改，將晶體管數(shù)量翻番的時(shí)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(huì)議上他說(shuō)道：“最初預(yù)計(jì)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。”

但真正困擾我們的問(wèn)題是，如果提高速度、降低能耗和價(jià)格的路走不通了，未來(lái)會(huì)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(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)。英特爾前電子工程師Robert P. Colwell說(shuō)：“以汽車(chē)產(chǎn)業(yè)為例，過(guò)去三十年來(lái)推動(dòng)其不斷創(chuàng)新和進(jìn)步的也是摩爾定律?！逼?chē)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新（如引擎控制器、防抱死剎車(chē)、導(dǎo)航、娛樂(lè)和安全系統(tǒng)等）都與價(jià)格逐步降低的半導(dǎo)體息息相關(guān)。

而永葆青春的硅谷對(duì)這種擔(dān)憂(yōu)完全免疫。過(guò)去三十年來(lái)，業(yè)界都認(rèn)為芯片的速度會(huì)更快、容量更高、價(jià)格也會(huì)更低。人們將這個(gè)時(shí)代定義為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，甚至許多硅谷人認(rèn)為我們不久之后就會(huì)見(jiàn)證奇點(diǎn)到來(lái)，到時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理能力將超過(guò)人類(lèi)大腦。

（戈登·摩爾）

圖片攝于20世紀(jì)60年代末，戈登·摩爾是英特爾公司的創(chuàng)始人之一。1965年，摩爾博士提出著名的摩爾定律。

Colwell說(shuō)：“在計(jì)算機(jī)的進(jìn)化過(guò)程中，人們已經(jīng)形成了思維定勢(shì)，他們會(huì)不假思索地購(gòu)買(mǎi)最新的硬件，因?yàn)樗麄兿嘈判酒诓粩噙M(jìn)步?！倍覀兊陌雽?dǎo)體技術(shù)正在走向物理極限。

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(jiàn)光的波長(zhǎng)，電子開(kāi)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(lái)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(gè)新的階段，讓生產(chǎn)商可以直接在芯片上通過(guò)金屬掩膜蝕刻電路，就像畫(huà)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(duì)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(guò)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(jià)約為每臺(tái)5000萬(wàn)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島曝光工序，金屬掩膜更是要與這些圖形設(shè)計(jì)配合得天衣無(wú)縫，否則，生產(chǎn)過(guò)程中就會(huì)小錯(cuò)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(duì)是其中技術(shù)難度最高的?！盇lan R. Stivers說(shuō)道，他1979年起就開(kāi)始在英特爾摸爬滾打，07年退休，他在英特爾的各代芯片研發(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(fèi)盡了心思，甚至都用上了浸沒(méi)式光刻機(jī)，它可以用水來(lái)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(guò)單獨(dú)的掩膜來(lái)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(jí)別，工程師只好在設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，該技術(shù)需要超強(qiáng)的計(jì)算能力。“這簡(jiǎn)直是在戲耍物理學(xué)。”設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件廠商Mentor Graphics的首席執(zhí)行官Walden C. Rhines評(píng)論說(shuō)。

如果恩格爾波特的“縮小”理論無(wú)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(jì)，以原有得晶體管數(shù)量實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)算性能。說(shuō)不定由此支撐摩爾定律半個(gè)世紀(jì)之久的傳統(tǒng)模式還會(huì)煥發(fā)新的生機(jī)一段時(shí)間。

哈佛大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家David M. Brooks說(shuō)：“如果硅是我們作畫(huà)的畫(huà)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(lái)特殊材料也有可能取代硅，并在更小的晶體管、新型存儲(chǔ)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(jì)算，如果能真正成熟，就將大幅提高運(yùn)算速度；而自旋電子學(xué)將會(huì)把計(jì)算技術(shù)帶入原子級(jí)元器件時(shí)代。

最近，極紫外光刻技術(shù)（EUV）在業(yè)界造成了不小的震動(dòng)。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(guò)程也能大大簡(jiǎn)化。不過(guò)商用化過(guò)程中的各類(lèi)試驗(yàn)證明該技術(shù)暫時(shí)還不夠成熟。

今年早些時(shí)候，荷蘭光刻機(jī)制造商ASML（英特爾有其股份）表示，它們已經(jīng)獲得了一家美國(guó)客戶(hù)的EUV大單，大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為這個(gè)大戶(hù)就是英特爾。這也就意味著英特爾在制造工藝方面又取得了一個(gè)身位的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

英特爾的高管依然堅(jiān)持自己的既定策落，未來(lái)將繼續(xù)降低芯片的成本。而其主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星、臺(tái)積電則認(rèn)為晶體管價(jià)格已經(jīng)趨于穩(wěn)定。面對(duì)對(duì)手的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)，英特爾依舊信心滿(mǎn)滿(mǎn)，但它也做不到完全無(wú)視物理學(xué)。

（專(zhuān)心實(shí)驗(yàn)的Max Shulaker）

因?yàn)榘雽?dǎo)體電路蝕刻過(guò)程中使用的材料多數(shù)都對(duì)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(duì)開(kāi)發(fā)新晶圓，該晶圓搭載了全新的電路。

Colwell說(shuō)：“即使英特爾這樣的超級(jí)巨頭在摩爾定律即將崩塌時(shí)也會(huì)束手無(wú)策?！?/p>

今年七月英特爾就表示旗下最新的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(huì)將推遲到2017年。這打破了英特爾傳統(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)）。

英特爾首席執(zhí)行官Brian Krzanich在一次分析師電話會(huì)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(zhǎng)到了兩年半?！?/p>

沒(méi)有“順風(fēng)車(chē)”可搭了

從樂(lè)觀的角度來(lái)看，芯片開(kāi)發(fā)腳步的放緩會(huì)帶來(lái)更加激烈的競(jìng)爭(zhēng)和創(chuàng)新。處于領(lǐng)先地位的四大芯片廠商英特爾、三星、臺(tái)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(méi)這份運(yùn)氣。

哈佛商學(xué)院教授David B. Yoffie說(shuō)：不過(guò)技術(shù)進(jìn)步的放緩可能會(huì)給這些小廠帶來(lái)一絲喘息的機(jī)會(huì)，因?yàn)樗麄兛梢詤⑴c技術(shù)較低的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

即使晶體管尺寸的縮小無(wú)法帶來(lái)速度和價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，也會(huì)換來(lái)功耗的降低。預(yù)計(jì)超低功耗電腦芯片會(huì)在2020年前問(wèn)世，屆時(shí)可能電池都不再是必需品了，因?yàn)樘?yáng)能、振動(dòng)、無(wú)線電波甚至汗液都能為其供電。

這樣的芯片會(huì)催生什么樣的產(chǎn)品呢？現(xiàn)在我們還不得而知。不過(guò)設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)中換一種思路。托摩爾定律的福，計(jì)算機(jī)尺寸變得越來(lái)越小，但設(shè)計(jì)方面并沒(méi)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(guò)去設(shè)計(jì)師們都被慣壞了，懶散得很?！碧O(píng)果前高管Tony Fadell說(shuō)道，他曾主導(dǎo)了初代iPod的設(shè)計(jì)工作，而后出走蘋(píng)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(lái)的）表示：“我們過(guò)去基本算是在搭順風(fēng)車(chē)，神奇的是這策略居然很有效。”

話雖如此，摩爾定律也許還能繼續(xù)存活十年時(shí)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。

via nytimes

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