摩爾定律其實是個欲望定律
摩爾定律或許會失效,但人類的欲望是沒有窮盡的。廠家總得想著法地取悅消費者,打出新噱頭,玩出新花樣。或許,這也是人類進步的動力吧。
小伙伴們經常感嘆,現在的電子產品更新換代速度太快了,根本跟不上產品更新的速度,蘋果6剛用了幾個月,6s就出來了。如果不是不差錢的土豪,誰也不會沖動到每逢新品上市必買。
電子消費品確乎是一個很神奇的領域,和衣服、汽車、食品等消費品相比,電子產品遵循著一個線性上升的更新邏輯。一個時尚服裝品牌,新款和舊款的區別可能只在于外觀樣式,而面料、御寒等功能很可能是類似的;一種食品,新款和舊款的區別可能也只在于包裝和口味,食材、配料可能差別很小。但對于智能手機或電腦等電子消費品,除了系統功能的完善和外觀工藝的更新外,一直存在著一個線性的增長規律,即機器的運行速度,一個手機品牌,新旗艦肯定要比舊的速度更快,處理器的工藝要更先進,晶體管數量更多。
這個線性增長規律,也就是科技界那個著名的摩爾定律。1965年英特爾創始人戈登·摩爾預言芯片上集成電路的晶體管數量,每隔兩年就會翻一番。原始的說法大致如此,后來被演化成多種表達,比如芯片速度每兩年增加一倍,價格每兩年降低一半,或者每隔18個月芯片就會更新換代。1971年世界上第一顆商用微處理器英特爾4004誕生,其工藝是10微米,晶體管數量僅僅是2250個;40多年后,蘋果iphone6的A8處理器工藝做到了20納米(10微米的500分之1),晶體管數量達到了驚人的20億個,速度當然也是不可同日而語。
在摩爾定律的支配下,芯片廠家不停地改進工藝,提升速度,而終端廠家則不停地跟進。放眼現在的智能手機品牌,誰的年度旗艦要是不采用最先進的處理器,都不好意思開發布會;誰要是不把高通驍龍820塞到手機里,還張口要價2500+,非得被罵暈不可。
但話說回來,這電子產品的線性增長,總得有個頭兒啊。處理器能無限地快下去嗎?那么快有什么用呢?晶體管的工藝已經逼近極限了,再小的話就得單個原子上了,都不具備基本的物理性質了,這個怎么破?實際上,這些擔心,正是大家經常掛在嘴邊的摩爾定律失效問題。即增長到一定的程度后,摩爾定律不再成立了。據說英特爾已經打破了自己處理器升級策略,不再一味地增加晶體管數量、縮小制程了,而是轉而不斷優化結構,這或許意味著,英特爾這個芯片巨頭正在親手終結摩爾定律。與此同時,不少芯片廠商已經在探索原子級晶體管的工藝,也有的在摸索石墨烯晶體管或量子計算等更前沿的技術了。更新的計算或芯片技術,對于量變式的摩爾定律升級邏輯來講,已經算是質變了,一旦這些技術成熟了,那摩爾定律似乎真的要退出歷史舞臺了。
有位觀察者說得好,硬件性能再強勁,也讓軟件給吃的一干二凈,所以雖然有時人們覺得幾年前的老款手機用著也挺高興,但對另一部分人來講,硬件性能總是不夠用,總是等著下一代。一句話,摩爾定律或許會失效,但人類的欲望是沒有窮盡的。廠家總得想著法地取悅消費者,打出新噱頭,玩出新花樣。或許,這也是人類進步的動力吧。
來詳細了解一下摩爾定律的前世今生。
摩爾定律的前世今生
摩爾定律的前世今生
1965年,Intel公司創始人戈登。摩爾(Gordon Moore)著文指出,芯片中晶體管的數量每年會翻番,半導體的性能與容量將以指數式增長,這就是摩爾定律的雛形。1975年,摩爾修正了該定律為:每隔24個月晶體管的數量將翻番。晶體管數量翻倍帶來的好處就是:更快、更小、更便宜。這就引出了摩爾定律的經濟學效益,因為對芯片來說,集成度越高,晶體管的價格就越便宜。在20世紀60年代初,一個晶體管要10美元左右,隨著晶體管越來越小,小到一根頭發絲上可以放1000個晶體管時,每個晶體管的價格只有千分之一美分。在摩爾發表這篇文章的年代,芯片的集成度只有幾十個晶體管,在以后的26年時間里,芯片集成的晶體管數量增加了3200多倍,從1971年推出的第一款Intel 4004處理器的2300個增加到奔騰II處理器的750萬個,英特爾最新的Itanium芯片已集成有17億個硅晶體管。
摩爾定律問世至今已近50年了,人們有理由懷疑,摩爾定律是否快走到頭了?半導體工藝制造技術水平在以令人目眩的速度提高,晶體管的幾何尺寸不可能無限制的縮小下去,總有一天會達到極限。業界已有專家預計,摩爾定律可能還有十年的持續發展,但每單位晶體管成本下跌的速度將隨之減緩,無法再像過去一樣快速降低了。其制約的因素一是技術,二是經濟。 目前65~180nm節點是最普遍的工藝技術,但有大量轉向28nm的趨勢。為什么呢?因為28nm工藝可能是最后一個能為客戶帶來更低成本、更低功耗,更高性能的工藝節點。隨著晶體管降價速度減緩,半導體的價格很可能要提高,只有提高價格才能使芯片制造商能夠回收投資,這就是經濟原因。在高性能、低功耗和低成本這三個因素中,只能選擇其中的兩個。英特爾在一次GSA年會中指出,10nm工藝節點可能就是摩爾定律的終點。臺積電張忠謀更是語出驚人:摩爾定律大概只能再茍延殘喘5~ 6年時間, 7nm后摩爾定律就不起作用了。
為什么大家都把10nm節點看做摩爾定律的終點,因為在10nm節點內半導體每單位成本仍可依循摩爾定律下降。這就是“木桶理論”里的“短板”概念,一件事情的成功不是取決于最完美的部分,而是取決于它的薄弱環節。小于10nm的工藝節點,傳統的多重曝光(Multi-Pattering)技術將不起作用,新一代的光刻技術(EUV或其他)將主宰芯片的成本。這是技術原因。
摩爾定律的演進過程
隨著芯片體積的不斷縮小,半導體技術開始走向物理極限。指導行業半個世紀的摩爾定律終歸會走向失效,但是未來的芯片是什么樣的則是眾說紛紜、霧里看花。
上世紀80年代的IC設計工藝特征尺寸是5微米。何曾想到今天的tech node(技術節點)已經做到了14nm。一般認為,器件尺寸做到5nm以下時,溝道中的載流子行為將要用量子力學的理論來解釋,經典物理學的半導體器件理論將失效。學界和業界的普遍觀點認為摩爾定律的極限是7nm,再往下走摩爾定律將失效。
讓我們回顧一下各個技術節點的演進過程。一般每一代技術節點的差距是后一代為前一代的0.7倍,這樣后一代的面積大約為前一代的一半。由于光刻技術的提升,在把技術節點推到0.13um以下時 ,傳統的MOSFET結構就無法scaling down(等比例縮小)下去了,短溝道效應造成載流子遷移率過低,會影響開關速率和開關電流。英特爾有一個成功的技術將載流子的溝道遷移率提升,使摩爾定律前進到65nm(其中包括90nm和65nm兩代技術)。但隨著scaling down的進行,只有1nm物理厚度的氧化硅層已經無法再變薄。又是英特爾率先使用了HKMG(high-k metal gate)技術,又將節點推到了32nm。
32nm以后從材料上改進已經變得很困難,這時候3D結構的晶體管出現了。3D結構就是我們所說的FinFET鰭式場效晶體管。在FinFET的架構中,閘門設計成類似魚鰭的叉狀3D架構,可于電路的兩側(平面結構只能在一側控制)控制電路的接通與斷開。這種設計的最大優點是可以大幅縮短晶體管的柵長度,同時也可以大幅改善電路控制并減少漏電流。英特爾已經在22nm節點上成功量產了3D結構的芯片。在未來的10nm節點上應該還會采用這個FinFET結構,但7nm節點以下就很難說了。
在3D晶體管之后是3D IC的概念。3D IC是將wafer或者chip通過TSV技術連為一層一層的層狀結構,這樣做的好處是使IC的空間使用率大大增強,僅僅兩層就可提升200%的空間使用率!3D IC被視為今后集成電路發展的一個重要方向,而且它的商品CMOS 3D IC Image sensor數碼相機也已經實現了商品化。所以即使10nm或者7nm到頭使摩爾定律失效,但是新技術依然還會繼續發展。
摩爾定律的未來
摩爾定律的未來在哪里?中科院微系統所王曦院士曾提出“超越摩爾定律”概念。在單一的CMOS技術推動下,計算機時代和通訊時代都遵循“摩爾定律”往前走。現在的CMOS“納技術”已接近物理極限,例如以傳感器為代表的智能感知時代則在依賴“超越摩爾”(MtM--More than Moore)的跨領域融合創新來推動。MtM技術依賴非數字多元技術,無需遵循“摩爾定律”升級工藝。我們可以大膽預測,MtM技術一定是物聯網、可穿戴設備、智慧家庭等新興領域依賴的基礎技術,在MtM技術融合創新推動下,MtM一定會形成一個方興未艾的產業。這個產業包括傳感器、MEMS、光電、射頻、高功率、模擬等領域。
19世紀80年代是鐵路呈指數高速增長的年代,上世紀30和40年代是汽車工業指數式發展的年代,飛機制造業也一樣,在達到音速之前飛機的性能曾經快速發展。但不管怎樣,它們的增長最后都會停下來,半導體也逃不過這個命運。可以預測的是,只有少數的尖端芯片會繼續指數式地再發展一兩代,比如多核處理器,但我們也許會發現,大量的應用最需要的也許并不是這些最先進的設計。
從經濟的角度看,目前建一座12吋晶圓廠需要20-30億美元,18吋晶圓廠則要花1.4倍之多。由于花不起這筆錢,迫使越來越多的公司退出了芯片這個看起來“高大上”的行業。因此摩爾定律要再維持十年的壽命,也決非易事。
最近,德國一家固體電子研究所PDI與日本NTT基礎研究室、美國海軍等單位,研制出了世界最小的晶體管,直徑是167皮米(0.167nm)。0.167nm是個什么概念呢?是目前已知最先進的IBM 7nm的1/42、人類頭發的60萬分之一、DNA鏈的1/15。這是一個在砷化銦晶體上制備的晶體管。這種分子級晶體管的出現,也許說明摩爾定律真的走到極限了!
當然這種分子級晶體管集成到芯片中還是很遙遠的事,但我們已經看到在摩爾定律之后芯片的模樣。假如真的摩爾定律的路線---提高速度、降低能耗、降低價格—-有一天走不通了,未來受影響的將不僅僅是IT行業,許多與我們生活息息相關的產業都會受到很大影響。還有一種觀點是,即使晶體管尺寸的縮小無法帶來速度和價格上的優勢,也會換來功耗的降低。超低功耗的芯片將會在2020年前問世,超低功耗時代意味著電池都不再是必需品了,太陽能、振動、無線電波甚至汗液都能替代電池為系統供電。
總之,未來不管是more Moore還是more than Moore,技術前進的步伐是不可阻擋的!我們不必為此悲觀。
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