薛定諤的摩爾定律
“FinFET之后，所謂的14nm、10nm、7nm、5nm工藝只是一個(gè)數(shù)字，其實(shí)它根本不是半導(dǎo)體的線寬。所以我們的發(fā)展還沒有到半導(dǎo)體行業(yè)的極限值?！闭f這話的是海思平臺(tái)與關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)部部長(zhǎng)夏禹女士。
雖說在今年的CDNLIVE上，夏禹女士為摩爾定律站臺(tái)，表示摩爾定律還會(huì)持續(xù)不斷的推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但她也承認(rèn)先進(jìn)半導(dǎo)體工藝技術(shù)目前只空有數(shù)字，用另一種方式來呼應(yīng)摩爾定律。關(guān)于摩爾定律到底是死是活問題，在過去幾年一直爭(zhēng)論不休，很顯然，如今處于“薛定諤的摩爾定律”時(shí)代。
遙想50幾年前，時(shí)任仙童半導(dǎo)體研發(fā)總監(jiān)的戈登·摩爾給集成電路行業(yè)算了一卦：“集成電路上被集成的晶體管數(shù)目，將以12個(gè)月翻一翻的速度增長(zhǎng)?！边@就是所謂的摩爾定律，10年后該定律得到進(jìn)一步修正，改為晶體管的數(shù)目增長(zhǎng)每?jī)赡暝黾右槐?。給人印象最深的當(dāng)屬集成電路中單個(gè)晶體管的價(jià)格，從上世紀(jì)六七十年代的1美元飛流直下，到了二十一世紀(jì)，單個(gè)晶體管價(jià)格僅為1美元的千萬分之一。
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在享受科技大爆炸所帶來便利的同時(shí)，摩爾定律似乎有點(diǎn)撐不下去了，畢竟這定律里講的是“增加一倍”。隨著基數(shù)越來越大，這一倍的增長(zhǎng)速度似乎走的有些艱難。
說著說著就死了？
整個(gè)行業(yè)在2005年就觀察到摩爾定律失效的征兆，那時(shí)研究人員開始擔(dān)心計(jì)算機(jī)芯片太熱，芯片的熱功率將很快趕上太陽表面的熱功率。
除此之外，認(rèn)為摩爾定律都到盡頭的還有臺(tái)積電創(chuàng)始人張忠謀，在2017年的TSMC 30周年慶高峰論壇上，他表示：“Intel聯(lián)合創(chuàng)始人戈登摩爾所判斷的‘大約每?jī)赡辏w管密度就會(huì)增加1倍’的說法在2025年將遇到極大的挑戰(zhàn)。”
說死摩爾定律的最佳代表就是黃仁勛，去年的NVIDIA GTC China大會(huì)上，黃仁勛開場(chǎng)就語出驚人：“設(shè)計(jì)人員無法再創(chuàng)造出可以實(shí)現(xiàn)更高指令級(jí)并行性的CPU架構(gòu)。晶體管數(shù)每年增長(zhǎng)50%，但CPU的性能每年僅增長(zhǎng)10%。摩爾定律已經(jīng)終結(jié)！”
今年，黃仁勛在美國(guó)加州圣何塞舉辦了其第10屆年度圖形處理器（GPU）技術(shù)大會(huì)（GTC），又表達(dá)了一次這個(gè)觀點(diǎn)。不僅如此，他還將GPU捧上了天，認(rèn)為GPU的發(fā)展遵循一種新的“超動(dòng)力”定律。不知道后人會(huì)不會(huì)因此把GPU發(fā)展過程定為“黃氏定律“，亦或者叫“皮夾克定律”。
不過去年英特爾對(duì)摩爾定律死否會(huì)失效的問題，堅(jiān)定的給出兩個(gè)字的回答——不會(huì)！
摩爾定律的掙扎
早期，集成芯片性能的提升需要在芯片上添加更多的電子元件。想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)看似簡(jiǎn)單，只要將包含了電子元件的各類應(yīng)用程序進(jìn)行可靠且廉價(jià)的打包即可。但是這種做法的結(jié)果是使得集成芯片變得越來越大，也越來越復(fù)雜。在上世紀(jì) 70 年代初期，為了解決這一問題，微處理器誕生了。
上世紀(jì)80年代到90年代初期，出現(xiàn)了4M DRAM，而到了 1992 年 16-MB DRAM 也出現(xiàn)了。每一次進(jìn)化都意味著集成芯片的工作能力變得更強(qiáng)大，因?yàn)樵诓辉黾映杀镜那闆r下單個(gè)芯片中所能包含的晶體管變得越來越多。
到了90年代以后，我們開始自然的選擇“縮減”這個(gè)套路來延續(xù)摩爾定律。并且每當(dāng)工藝尺寸縮小時(shí)，都會(huì)有一些美好的事情發(fā)生——比如芯片處理速度的提升為功耗的降低提供了相應(yīng)的空間，從而自然地對(duì)發(fā)熱量進(jìn)行控制。
但到了二十一世紀(jì)后，工藝制程發(fā)展到了90nm以下時(shí)，這種增益效應(yīng)就開始不再明顯。制造商們發(fā)現(xiàn)，電子在硅電路中跑得愈快，芯片就愈熱。
“聰明”的制造商們開始不再提升主頻，以這種限速的方法來控制熱量產(chǎn)生。此外，為了解決限速的問題，芯片商開始使用多核芯片的思路。從理論上講，內(nèi)置4顆250MHz的芯片和單顆1GHz的芯片在處理速度上是一致的，但在現(xiàn)實(shí)中，想要用4顆處理器協(xié)同運(yùn)算就意味著需要把單一任務(wù)分成八個(gè)部分來處理。而對(duì)于許多任務(wù)來說這一拆分過程也是十分困難的。
然而再過去的10來年，芯片的光刻工藝變得越來越復(fù)雜，制造成本在不斷的提升。雖說晶體管的體積每年都在縮小，但越來越貴了。
摩爾定律前方是星辰大海
2016年，美國(guó)團(tuán)隊(duì)就宣布研制出的1納米晶體管。不過據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，這個(gè)研究還處于一個(gè)很早期的階段。實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)還沒有一個(gè)可行性方案大批量制造。
不過3nm芯片似乎已經(jīng)有了苗頭，在今年3月1日，納米電子與數(shù)字技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新中心imec與Cadence聯(lián)合宣布，業(yè)界首款3nm測(cè)試芯片已成功流片。該項(xiàng)目采用EUV技術(shù)，193浸沒式（193i）技術(shù)規(guī)則。
其實(shí)科研人員已經(jīng)不單關(guān)注芯片制造技術(shù)，開始將眼光放到半導(dǎo)體材料上。比如：銻化銦和銦鎵砷化合物等。在許多備選材料中，二維材料“石墨烯”被看好。這種自旋電子材料通過翻轉(zhuǎn)電子自旋來計(jì)算，而不是通過移動(dòng)電子。這種“毫伏特”量級(jí)(操作電壓比“伏特”量級(jí)的晶體管要低得多)的電子開關(guān)比硅材料開關(guān)的速度更快，而且發(fā)熱量更小。
斯坦福大學(xué)的電氣工程師Subhasish Mitra和他的同事在兩年前就已經(jīng)開發(fā)出用碳納米管將3D存儲(chǔ)單元層連接起來的辦法，這些碳納米管承載著層間的電流。 該研究小組認(rèn)為，這樣的體系結(jié)構(gòu)可以將能耗降低到小于標(biāo)準(zhǔn)芯片的千分之一。
當(dāng)然還有一種被業(yè)內(nèi)人士看好的神秘技術(shù)——量子計(jì)算。
如果單從最近幾年發(fā)展來看，夏禹女士在前幾天的CDNLIVE上表示：“未來五年內(nèi)，云計(jì)算、邊緣計(jì)算等都會(huì)撬動(dòng)一個(gè)200億美金的新興市場(chǎng)。PC也會(huì)發(fā)生最大的變革，它將和手機(jī)在一起，形成個(gè)人智慧中心。這背后巨大的增長(zhǎng)來自摩爾定律持續(xù)發(fā)展，在強(qiáng)大的市場(chǎng)下，整個(gè)產(chǎn)業(yè)都會(huì)聚焦推動(dòng)摩爾動(dòng)律往前發(fā)展?！?
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