紀念摩爾定律50周年（下）

摘要：為紀念摩爾定律發表50周年，本文介紹了摩爾定律的最初提出，一直作為信息技術工業的第一定律，它不僅有力地促進了電子信息工業的快速發展，甚至深刻地改變了社會歷程和人類生活。今天摩爾定律正在接近它的終極，文章較詳細地描述了“后摩爾定律時代”的多元化技術發展。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/27921l.htm

關鍵詞：摩爾定律；Intel公司；工藝微細化；信息；3D化；三五族半導體；量子計算機；仿腦計算機

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.8.001

接上期

摩爾定律的終極

摩爾定律簡單一點地說，就是使電子產品的更新換代快，而且有規律可循，今天買了一臺電腦，它的性能是兩年前同等價格所買電腦的兩倍。摩爾定律表達的“集成電路集成度提高成本下降”的含義，或可推演而成“性能提高成本下降”的一般概念，那就適用于一切產業，包括汽車、航空、鋼鐵等等，事實上，電子業界的產品、所用半導體、制造設備和材料等有關廠商都以摩爾定律作為基準來制定各自的開發計劃。摩爾定律堪稱“魔術師手拿的棍子”，成為將“科幻世界”轉變為現實的原動力，技術不斷進步的源泉。

摩爾定律的作用如此巨大，受到了人們的無限崇拜，愛之不能釋手，似已不可一日或無。日前有外媒刊載了一篇以“五十年后摩爾定律才開始顛覆一切”為題的文章說：“4月19日是摩爾定律發表五十周年，在現代，摩爾定律對工業和人類社會的影響超過了其他任何事物”，“摩爾定律已經徹底改變了我們的生活”，“更加重要的是，其影響才剛剛開始，盡管摩爾本人曾說，他認為他提出的摩爾定律會在這個十年結束時失效”。

另一方面，業界人士對摩爾定律何時終結的討論已有數年，也有外媒前幾年就直白地說：“摩爾定律已死？重要嗎？”“業界持續討論摩爾定律終結已經有一段時間了……摩爾定律終結可能大幅改變目前的產業……美國國防部先進研究計劃署（DARPA）微系統技術辦公室總監Robert Colwell（甚至）說，摩爾定律終結將成為美國國家安全的威脅……（但是，）我們當然不能指望50年來沿用的技術永遠不發生改變地持續下去”。

世界萬物有始必有終，摩爾定律總有失效之時。摩爾本人坦承：“Somethinglike this can’t continue for ever”他在2005年紀念摩爾定律40周年時曾說，再過40年后的情況不可想象，但他預想摩爾定律還可存在一、二十年。上面說過，推進摩爾定律發展的動力是工藝微細化，1970年半導體的加工尺寸為10μm，經過40年到2005年接近50μm，縮小了200多倍，大約每3年發生一次技術變革，從O.lμm后工藝微細化速度開始趨緩。大約在進入新世紀之前，工藝微細化即曾遭遇到3次所謂極限挑戰：第1次是1985年的1μm，第2次是上世紀90年代的深亞微米（o.5μm以下），第3次是21世紀初的0.1μm，但都一一被化解，延續發長到今天的20nm左右。市場調研公司iSuppli在2009年曾發表一份報告指出：“1965年出現的摩爾定律在20nm～18nm工藝之間仍然有效，但達到18nm之后很可能失效，引起了熱議。究其原因，其一是技術突破難度加大，其二是成本太高無法回收。據統計，世界半導體業營收1960年～1995年的年均增長率達17%，而自1995年～2010年間已下降到約6%。

到目前為止，英特爾、IBM都仍主要采用22nm成熟工藝，AMD更停留在28nm多年，業界正在轉向14nm和lOnm工藝。最近外媒報道，IBM采用EUV（遠紫外光刻）技術和硅鍺（SiGe）材料開發成功了7nm芯片，可容納200億個晶體管，面積比lOnm工藝縮小近一半，《紐約時報》最初即以“IBM Announces Computer Chips More Powerfulthan Any in Existence為題發表了報道，有些媒體更直言“IBM打了英特爾的臉”。實際上，IBM的產品還僅處于實驗室階段，而人們早在3年前就耳聞英特爾已開始了7nm和Snm工藝的研發，在今年的ISSCC（國際固態電路會議）上，英特爾高級研究人員表示將在2018年前推出7nm工藝產品。既便如此，人們都已看到摩爾定律前進的腳步在大大放惺。

業界大多人士已承認摩爾定律正走向終極！2014年在加州召開的“IEEE Technology TimeMachine（TTM）2014”（2014年美國電氣電子工程師協會未來技術設備）研討會上，與會專家學者認為，摩爾定律不一定已達終點，但正接近終點。基于摩爾定律的高速技術發展已不可能，今后必須推翻舊傳統，探索新技術，尋求新機遇。預計今后20年內將引入“后CMOS”的新器件和非諾伊曼計算機結構，值得注意的技術有量子計算機、大數據、碳納米管及仿（人）腦技術等。就在這個會上，摩爾本人也說：“我認為摩爾定律將在下個10年左右告終”。博通公司首席技術官（CTO）Henry Samueli在紀念以太網誕生40周年的大會上對半導體業的前景作了展望，他說： “摩爾定律日漸接近終點，所剩下的時間大約也就15年了。標準的硅CMOS晶體管的微細化停滯在Snm上下，再后的進步怕已難以見到。”

就在筆者審閱本文時，《金融時報》7月中旬以《英特爾CEO：摩爾定律即將終結》為題的報道指出，摩爾此前曾表示：“這一定律能持續正確如此長的時間令人驚訝。最初的預言只關注了10年，我當時認為這已經是一段漫長的時間。然而，這樣的定律持續了50年，這令人驚嘆。但未來某天，這一定律將會失效。”現任Intel公司CEO Brian Krzanich也警告稱，摩爾定律即將走向終結！可見最堅定守護摩爾定律的Intel公司面對現實，終于改口了。且公司有實際行動，它于6月初以167億美元巨資收購了生產FPGA的巨擘Altera公司，FPGA（現場可編輯門陣列）是可作為類似GPU（圖形處理器）一樣的加速技術整合進CPU的，也就是將CPU和FPGA整合在一起了。原因無非是摩爾定律失速，CPU的頻率已登頂，集成度已很難繼續提高。一句話，如若單單依靠摩爾定律，產品性能已無法提高，不得不說這是公司看到“后摩爾定律”時代后的一項重大應對措施。

《日經電子學》近期也以《再見吧！摩爾定律》為題來紀念其50周年，文章說：（摩爾定律）作為電子產業持續成長的基礎，如今已近黃昏，今后沿著摩爾定律提高集成度之路已走到盡頭的半導體產品將漸漸發展多樣化。但業界并不悲觀，認為未來將迎來“創新的時代！”“既不能再仰賴器件尺寸的縮小，那就開始多姿多采的技術進步吧！”后摩爾定律時代足以引起業界極度注目的技術大致有：

3D化

走在微細化工藝最前列的NAND閃存，目前平面NAND大公司的加工工藝已達1X的水平，普遍認為lOnm將達于終極（圖4），以后則將走3D化道路。3D化NAND的概念是東芝公司于2007年提出的，量產則是三星公司率先施行的，2013年大量生產2位/單位的128Gb產品，2015年發表了3位/單元的128Gb產品，其他公司將于2015年～2016年相繼開始量產，成為近期主流產品技術。

Intel于2002年起投入3D晶體管的研發，并于2011年正式量產3D化的3柵晶體管技術（3-D Tri-Gate transistors），并應用于Ivy Bridge的22nm處理器以及SoC產品，具有低功耗與高效能相結合的優點，此后，Altera公司則在其主流FPGA產品中采用了14nm的該項技術。

FinFET （FinField-Effect Transistor鰭式場效晶體管）是一種新的互補金屬氧半導體（CMOS）晶體管，在FinFET架構中，門控類似魚鰭的叉狀3D架構，可于電路的兩側控制電路的接通與斷開。這種設計可以大幅改善電路控制并減少漏電流（leakage），也可以大大縮短晶體管的柵長。今天業界從28nm過渡到20nm時降低成本成為面臨的一大難題，因而大部分公司在16nm或14nm工藝上都考慮采用FinFET 3D技術。但FinFET在設計方面遇到的最大挑戰是必須進行FinFET驗證，至于3D化的挑戰則在于幾家主要的業者尚未支持堆棧式芯片架構，目前只有臺積電可支持堆棧芯片，以及三星正研發3D堆棧芯片。未來FinFET或還可應用于鍺和三五族元素的制作中。

碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多異常的力學、電學和化學性能。近年隨著碳納米管及納米材料研究的深入，其廣闊的應用前景也不斷展現出來。在2014年國際電子組件會議（IEDM）上，斯坦福大學（Stanford University）的研究人員展示了采用碳納米管的3D芯片，碳納米管重新贏得了研究人員的興趣，它可以取代采用TSV（硅穿孔技術）的3D芯片。TSV用銅填充硅片孔洞，而銅遇熱會比周圍的硅材料膨脹更多，而碳納米管的熱膨脹系數則與周圍的硅差不多，此外與銅相較，納米管的傳導性更高、重量更輕。不過，以碳納米管取代TSV要達到量產還需克服一大障礙，就是制程的溫度：碳納米管通常在攝氏700。之下進行生產，但CMOS芯片在超過攝氏450。的環境下就會受損，據說如以獨立制程生產納米管，再以機械方法進行填充，或需5年時間。

3D-TSV封裝技術是實現多功能、高性能、高可靠且更輕、更薄、更小的系統級封裝最有效的技術途徑之一，常用于DRAM的3D化。美國Micron公司即用此法開發了專用控制器上的疊層DRAM，去年開始供應4片2GB疊層的4GbDRAM和8片疊層的4GB產品。韓國Hynix和三星公司也分別在開發和出貨通過30-TSV技術的DRAM。

新材料

大多數三五族（III-V）元素，包括銦（In）、鎵（Ga）、砷（As）以及磷（P）都有比硅晶體管溝道更高的電子遷移率，可提升芯片效能與節省電能，被視為產業明日之星，甚至宣傳“將無限延長摩爾定律壽命”。其中，砷化鎵GaAs）、砷化銦（InAs）和砷化銦鎵（InGaAs）等化合物尤其引人矚目，例如砷化鎵不僅能提升晶體管性能，還可整合光學電路的功能。

在絕緣硅片上嫁接三五族化合物的關鍵是納米線。美國康乃狄克大學（University of Connecticut）通過POET（Planar Opto Electronic Technology-平面光電技術）形成晶體管溝道，適用于SOI（絕緣硅片）基板上嫁接三五族化合物半導體。IBM公司則在研發模板輔助選擇性外延（TASE-Template-Assisted Selective Epitaxy）技術形成納米級空穴結構和多柵FET（MulG-FET），以便在絕緣體基板上生長出幾乎沒有缺陷的化合物半導體晶體管的納米線技術。

最近IBM公司宣布，采用鍺硅（SiGe）材料和7nm工藝開發出了鍺硅芯片，形成了分子大小的開關，其計算能力約為當前最強芯片的4倍，可用以制造最強大的超級計算機。

數據中心新結構

數據中心（data centric）取代傳統的處理中心（processing Centric）結構雖然沿用了諾依曼結構和CMOS技術，但由于采用了存儲類內存（SCM-Storage ClassMemory）擴大了內存容量，提高了數據傳輸速度從而改善系統的性能。這類內存除NAND閃存外，還有MRAM（磁性隨機存取內存）、PRAM（相變化內存）、ReRAM（可變電阻內存）及STT-MRAM（Spin TransferTorque Magnetoresistive Random Access Memory自旋轉移矩磁阻隨機內存儲器）等，這些新技術具有非易失性、運行速度快、讀寫次數無限等特性，當然，彼此之間也存在著競爭關系。開發或供應的公司甚多，其中ReRAM和STT-MRAM新一代存儲器尤受人矚目，STT-MRAM非常適于目前許多主流應用，作為內存技術，它既有DRAM和SRAM的高性能，又有閃存的低功耗和低成本優勢，并可可沿用現有的CMOS制造技術并采用10納米工藝。

非諾依曼結構

傳統計算機無不采用諾依曼結構（采用二進制，按程序順序執行）而非諾依曼結構則是由數據而不是指令來驅動程序執行的。當前熱議的非諾依曼結構計算機包括量子計算機和仿（人）腦計算機。量子計算機（quantumcomputer）是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。依靠量子的多態性，其速度遠勝傳統電腦，因為量子不像半導體只能記錄0與1，而可以同時表示多種狀態。各國（包括中國）都在研究，據國外媒體今年4月報道，IBM研究人員完成了四量子位原型電路，為推出量子計算機奠定了基礎。量子計算機可以用來破解當今最強大的加密方式，也可搜索數量難以想象的數據。IBM的研究人員認為，能計算數百量子位的計算機可望在5到10年內出現，但尚不清楚究竟需要多長時間量子計算機才能取代傳統電腦。據傳谷歌也推出了自己的量子電路，加拿大D-Wave公司更宣布已成功開發出量子計算機。一句話：“IBM量子計算機獲（得）關鍵突破，十年內（將）終結摩爾定律”。

過去的幾年里，科技公司和科研人員都在努力研制神經形態計算機用的基本構件——即模擬人腦能力的芯片，它既有分析能力，又有人腦般的直覺，從而可處理大量的數據。去年8月，IBM發表了具有腦神經細胞和神經突觸功能集成電路組成的神經結構（neuromorphic）芯片一“TrueNorth”，可用以建造仿腦計算機。這種計算機模仿人腦結構，使用毫米尺寸的芯片，大大節能，可以置入眼鏡、腕表，以及其他可穿戴設備中去，作醫療輔助之用。雖然這類芯片不像諾依曼結構芯片那樣具有通用性，但在特定應用方面則具有巨大的優勢，據說高通公司今年5月發表了具有仿腦計算技術的“Zeroth”芯片，可用以識別圖像、語音等。目前，仿腦計算機的研發還處于初始階段，尚有許多困難有待克服。無論如何，這是人們開發未來嶄新一代計算機的方向。