【編者注】本文原作者John Markoff，他是《紐約時報》科技板塊的專欄作者。隨著芯片體積不斷縮小，半導體技術(shù)也在走向物理學極限，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科學家們?yōu)?/span>完成技術(shù)突破正在尋找的新技術(shù)方法。

（斯坦福大學的畢業(yè)生Max Shulaker，自2011年以來一直在研究一種全新的半導體電路）

1960年，賓夕法尼亞大學舉辦了一場影響深遠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的發(fā)明和其他重要的計算機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。

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計算機時代的摩爾定律。他預測十年之內(nèi)半導體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍，計算機的處理能力也將獲得大幅提高。

摩爾的觀點觀點首次發(fā)表在1965年4月的《Electronics》雜志上（點擊這里查看原文），后來則被世人稱為摩爾定律。實際上它不是一條科學定律，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，成本都可達到8美元（刨除各種因素后量化為現(xiàn)在的美元）。而半個世紀后，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。

計算機芯片更快更小更強的發(fā)展讓硅谷迅速成長，并由此改變著世界，從計算機到智能手機，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。

許多專家認為未來芯片的迭代會變得更慢，其間隔可能會達到2.5—3年。若按現(xiàn)在的速度繼續(xù)發(fā)展，到21世紀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?！?/p>

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念會議上他說道：“最初預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產(chǎn)業(yè)。英特爾前電子工程師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)新和進步的也是摩爾定律?！逼嚠a(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新（如引擎控制器、防抱死剎車、導航、娛樂和安全系統(tǒng)等）都與價格逐步降低的半導體息息相關(guān)。

而永葆青春的硅谷對這種擔憂完全免疫。過去三十年來，業(yè)界都認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，甚至許多硅谷人認為我們不久之后就會見證奇點到來，到時計算機的運算處理能力將超過人類大腦。

（戈登·摩爾）

圖片攝于20世紀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：“在計算機的進化過程中，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步。”而我們的半導體技術(shù)正在走向物理極限。

物理極限

芯片由金屬線和半導體材料制成的晶體管組成，最先進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體進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)中被復制到直徑約一英寸的拋光晶圓上。

光刻機售價約為每臺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島曝光工序，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，導致良品率下降。

“各種半導體工藝我都有所涉獵，但光刻機絕對是其中技術(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，甚至都用上了浸沒式光刻機，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)計中采用計算機模擬技術(shù)，該技術(shù)需要超強的計算能力。“這簡直是在戲耍物理學?！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之久的傳統(tǒng)模式還會煥發(fā)新的生機一段時間。

哈佛大學計算機科學家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)獲得了一家美國客戶的EUV大單，大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士認為這個大戶就是英特爾。這也就意味著英特爾在制造工藝方面又取得了一個身位的領(lǐng)先優(yōu)勢。

英特爾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、臺積電則認為晶體管價格已經(jīng)趨于穩(wěn)定。面對對手的強有力競爭，英特爾依舊信心滿滿，但它也做不到完全無視物理學。

（專心實驗的Max Shulaker）

因為半導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正在斯坦福大學對開發(fā)新晶圓，該晶圓搭載了全新的電路。

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

今年七月英特爾就表示旗下最新的10納米（人的頭發(fā)直徑就達到了75000納米）制程芯片的發(fā)布會將推遲到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。”

沒有“順風車”可搭了

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英特爾、三星、臺積電和GlobalFoundries都擁有自己的制造工廠，而許多小型半導體公司可沒這份運氣。

哈佛商學院教授David B. Yoffie說：不過技術(shù)進步的放緩可能會給這些小廠帶來一絲喘息的機會，因為他們可以參與技術(shù)較低的市場競爭。

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)圖強了。

via nytimes

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