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1965年戈登·摩尔提出摩尔定律，摩尔定律就一直指引和推动着全球半导体产业的发展，为整个电子信息技术产业带来日新月异的变革。摩尔定律即，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。 但随着特征尺寸的不断减小，全球半导体行业已达成共识——摩尔定律将彻底终结，下个月即将出版的国际半导体技术路线图也将不再以摩尔定律为目标。美国《自然》杂志对此撰写了长文进行探讨，现将主要内容编译如下。 摩尔定律受技术和经济两大因素而终结 1.技术因素主要包括产生的热量无法消除，以及量子效应影响日益显著。 （1）热死亡（heat death）。随着特征尺寸的不断减小，电子元器件集成度越来越高，产生大量热量无法消除。以对散热需求最迫切的微处理器为例，自2004年起，微处理器生产商不再追求执行指令速度的提升，即希望通过限制电子运行速度来限制所产生的热量，微处理器运行速度的上限也因此一直没超过2004年既已达到的4GHz，而为了延续摩尔定律，转而向多核方向发展，如现在的4核和8核等。但这仍只是缓兵之计，不仅对微处理器算法提出苛刻要求，而且仍无法满足特征尺寸进一步微缩所加剧的散热需求。 （2）量子效应。2004年特征尺寸达到90纳米，电子元器件进入纳电子发展阶段，量子效应开始发挥重要作用。为了继续减小特征尺寸和延续摩尔定律，英特尔等公司研发出了应变硅、高K金属栅、鳍形晶体管（FinFET）等技术。目前，特征尺寸已达到14纳米，并继续向10、7和5纳米减小，电子的行为将受限于量子的不确定，晶体管将变得不可靠。 2.经济因素主要包括需求呈现多样化，以及生产成本急剧增加。 在半导体产业发展的五十多年，已形成一个“自动升级”的循环流程，即通过大规模制造和销售“类少量多”的微处理器和存储器等器件获得大量收入，然后投资升级工厂和设备，同步实现性能提升和价格降低，并进一步拓展市场需求。 但目前这种循环流程也已难以为继。一方面是半导体产业已进入移动化时代，客户需求成为行业发展的推动力，不再延续此前半导体行业占据行业主导地位，并可通过技术进步来带动整个电子行业发展的模式。由于客户需求呈现多样化，导致市场碎片化，半导体产业不再是“类少量多”，单个产品的量级也许仅有几十万件。 另一方面是原子级生产精度、超大晶圆面积，导致生产成本不断攀高。例如，仅建立一条450毫米晶圆生产线的费用就高达数十亿美元，还不包括前期研发和后期运营的费用，已远远超过单个企业能承担的上限。因此，在超紫外光刻、450毫米晶圆生产工艺的研制上，英特尔、三星、台积电等企业采取了抱团合作的方式。加之前述的市场碎片化特点，使得筹集资金变得更加困难。一旦下一代的每晶体管成本超过现有的成本，产品更新就会停止。半导体行业已经非常接近这个产品更新停止的阶段。 行业发展路线图丧失指导意义 由于芯片制造的过程变得过于复杂，常常包含几百个步骤，产品的升级意味着整个供应商和设备商需要在对的时间同时完成升级。因此，自1991年，半导体行业每两年就会发布一份行业研发规划蓝图，协调成百上千家芯片制造商、供应商跟着摩尔定律走，以保证整个行业能够按照摩尔定律预测的轨迹发展。但目前，除了上述导致摩尔定律发展面临终结的原因外，芯片生产商仅剩英特尔、三星和台积电等少数几家企业，这些企业与原材料和设备供应商关系密切，互相之间也开始协调发展。因此，行业发展路线图的重要性也在丧失。 美国半导体行业协会（SIA）和半导体研究联盟（SRC）也降低了对该发展计划的期待，而是希望能制定出更长期和更基础的研究日程，并争取获得联邦基金的支持，如“国家战略计算倡议”等。SRC和SIA自己的研究日程于去年九月份发布，提到了未来行业面临的几大问题，包括能源效率和能耗较大的各类传感器，联网设备和所需的大带宽、抵御网络攻击和数据盗窃的安全措施。 下一步发展方向 整个行业的创新让将以提升功能密度为目标，具有包括立体集成、多器件集成、新材料和新范式等。 1.引入新思路，仍以单个器件为目标 （1）三维集成。将元器件的平面结构通过垂直堆叠变为立体结构，但只适用于发热量较小的存储器等器件，如三星和美光已研发出的混合存储立方体（HMC）。如果将这种结构应用于微处理器中，一个解决方案是将存储器和微处理器芯片完全分开，以此减少50%的热量，但由于微处理器和存储芯片的制造流程完全不同，无法在同一条流水线上进行生产，要将它们堆起来，需要对芯片的结构进行全面重新设计。 （2）可替代硅的新材料。要求计算速度上不亚于硅晶片，但发热量显著低于硅的材料，主要包括平面类石墨烯复合材料和自旋电子材料。其中自旋电子材料是通过电子快速旋转而非电子移动来进行计算。目前，从机理和生产工艺仍未达到完全成熟可替代硅的水平。 （3）新范式。主要有量子计算和神经形态计算。前者对某些特定领域的计算具有明显优势，计算速度有望达到指数级的提升；后者是模拟大脑神经元的计算和处理方式。目前，两者都处于实验室研究阶段。 2.多器件集成，以系统整体为着眼点 由于新的计算设备变得越来越移动化，新的芯片中将会有新的一代的传感器、电源管理电路和其他的硅设备。半导体产业将以超越摩尔定律（More than Moore）为发展方向，更加注重产品的多功能化和对多种技术的综合应用，如内存和电源管理模块，用于GPS、移动网络和WiFi网络的模拟器件，陀螺仪和加速计等MEMS器件等。 |
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