摩爾定律或在2021終結

　　50年前，英特爾創始人之一戈登·摩爾提出了摩爾定律：集成電路上可容納的電晶體（晶體管）數目，約每隔24個月便會增加一倍。最近幾十年，這個定律堪稱科技界的鐵律，無論是半導體制造商還是芯片設計商，幾乎都在按照這個規律發展。

　　但是，最近兩年，以英特爾為首的半導體廠商開始放慢制程的升級迭代之路，而人們也不得不開始討論摩爾定律的預言是否已經失效，半導體廠商又該如何面對這樣的挑戰？

　　從最近一期的半導體國際技術路線圖上可以看出，到2021年，微處理器內部的晶體管的尺寸縮小的進度不是放緩，而是將停止縮小，這也就意味著推動半導體行業變革的摩爾定律將正式退出歷史舞臺。

　　摩爾定律或在2021終結的原因是什么

　　不需要復雜的邏輯推理就可知道： 芯片上元器件的幾何尺寸總不可能無限制地縮小下去，這就意味著，總有一天，芯片單位面積上可集成的元器件數量會達到極限。問題只是這一極限是多少，以及何時達到這一極限。業界已有專家預計，芯片性能的增長速度將在今后幾年趨緩。其制約因素一是技術，二是經濟。

　　技木的角度上看，隨著硅片上線路密度的增加，其復雜性和差錯率也將呈指數增長，同時也使全面而徹底的芯片測試變得十分艱難。一旦芯片上線條的寬度達到納米數量級時，相當于只有幾個分子的大小，這中情況下材料的物理、化學性能將發生質的變化，致使采用現行工藝的半導體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到它的盡頭了。

　　“ 經濟的角度上看，正如上述摩爾第二定律所述，目前是20億~30億美元就可以建一座芯片廠，而線條尺寸縮小到0.1微米時將猛增至100億美元，比一座核電站投資還大。看來摩爾定律要再維持十年的壽命，也決非易事。

　　2007年1月，英特爾宣布在半導體微架構上取得了40年來的最大突破，公司采用了一種叫做鉿的金屬和金屬柵，可以使摩爾定律繼續有效。9月，79歲高齡的摩爾先生在英特爾信息技術峰會（IDF） 上表示，下個10年或15年摩爾定律將不可避免地退出歷史舞臺。

　　延續摩爾定律究竟有多難？

　　實際上，過去幾十年半導體行業也沒有和摩爾定律完全保持一致的節奏。

　　從1965年到1975年，芯片上的晶體管數量幾乎每年都會翻番；然而在1975年之后，由于技術的限制，周期變為了兩年；到上世紀90年代末，又回到了正規。

　　而現在半導體廠商又面臨了什么樣的困難？

　　目前，半導體制造商最先進的半導體制程已經達到了14nm，正在朝著10nm前進，但這幾乎已經無限接近硅材料的物理極限。有人會說，未來還會有7nm和5nm，但事實真會如此嗎？

　　如果繼續按照摩爾定律來研發更高級的工藝制程，會面臨物理和經濟（投入產出比）兩方面的挑戰。

　　摩爾定律本身是一條物理定律，但是在硅晶體管的尺寸接近10nm的時候，柵氧化層的厚度只相當于十個原子的厚度。這就會極易產生量子效應，并且導致晶體管的特性難以控制，例如漏電問題。對半導體廠商而言，這是一堵穿不透的墻。

　　除此之外，因為晶體管尺寸的縮小，芯片制造成本在逐漸增加，長期以往每顆芯片的毛利率甚至還會低于制造的成本。很明顯，未來大多數廠商會因投入產出比而選擇更具商業價值的制程。

　　如何應對？

　　即便半導體制造商無法進一步縮小晶體管的尺寸，但這并不代表半導體行業就此停滯不前，業內人士認為有兩種方案值得嘗試。

　　不少業內人士表示，雖然晶體管的尺寸無法縮小，但未來能夠取而代之的是通過堆疊技術來提升晶體管的密度，這一技術成熟后就可同時保證經濟和技術效益。

　　目前，這樣的3D技術事實上已經在存儲芯片上得到了應用，例如英特爾推出的3DxPoint閃存技術，它在壽命、存儲速度以及容量密度上都要比傳統閃存高幾個level，另外，三星和閃迪等存儲廠商也已經在這一領域推出了各自的產品。

　　另外，業界還認為我們可以尋找硅材料的替代品，例如利用新型納米材料可能做出接近分子大小的電路。為此，國內外已經在著手研究這些新的材料。

　　這眾多可能成為硅的繼任者之中，石墨烯的呼聲無疑是最高的，任正非就曾公開表示，石墨烯時代顛覆硅時代。

　　石墨烯之所以能受到業界的青睞，是因為它比硅材料有過之而無不及，它是世界上最薄、導電性能最強的材料。石墨烯只有一個原子厚，并且具有強度高、導熱和導電效高等優異特性，當石墨烯與與其他元素摻雜或復合也可具有半導體特性。

　　不過制約石墨烯商業化的是，這種材料目前仍然無法量產，而且石墨烯制備成本也一直居高不下，制造一克石墨烯材料比黃金還要貴出不少。