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技术了。更新的计算或芯片技术，对于量变式的摩尔定律升级逻辑来讲，已经算是质变了，一旦这些技术成熟了，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？半导体工艺制造技术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。其制约的因素一是技术，二是经济。 目前65~180nm节点是最普遍的工艺技术，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）技术将不起作用，新一代的光刻技术（EUV或其他）将主宰芯片的成本。这是技术原因。

　　

　　摩尔定律的演进过程

　　随着芯片体积的不断缩小，半导体技术开始走向物理极限。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（技术节点）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技术节点的演进过程。一般每一代技术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。由于光刻技术的提升，在把技术节点推到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技术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两代技术）。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）技术，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技术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，但是新技术依然还会继续发展。

　　

　　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技术推动下，计算机时代和通讯时代都遵循“摩尔定律”往前走。现在的CMOS“纳技术”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技术依赖非数字多元技术，无需遵循“摩尔定律”升级工艺。我们可以大胆预测，MtM技术一定是物联网、可穿戴设备、智慧家庭等新兴领域依赖的基础技术，在MtM技术融合创新推动下，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、模拟等领域。

　　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，技术前进的步伐是不可阻挡的！我们不必为此悲观。