摩爾定律，一個(gè)依賴天才的預(yù)言

趙淑荷

半個(gè)多世紀(jì)以前，當(dāng)晶體管誕生在美國(guó)最大的實(shí)驗(yàn)室，它的制造者或許料到了這個(gè)小小的器件注定前途無(wú)量，卻不能預(yù)測(cè)此后芯片的發(fā)展會(huì)經(jīng)歷怎樣曲折而驚險(xiǎn)的旅程。

印度有一個(gè)傳說(shuō)，有關(guān)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)是如何把一個(gè)不起眼的起點(diǎn)導(dǎo)向龐大而不可測(cè)的結(jié)果。向國(guó)王領(lǐng)賞的數(shù)學(xué)家要求在棋盤的格子里每次多放一倍數(shù)量的大米，從1粒米開(kāi)始，最終所需大米的數(shù)量窮盡國(guó)王的想象也不能滿足。

這幾乎是芯片發(fā)展的模型。

快速增長(zhǎng)的代價(jià)是，芯片技術(shù)對(duì)迭代的要求也給自身設(shè)下藩籬，就像一種自我詛咒，讓它不斷面臨著想象力的局限、物理學(xué)的邊界、難度與速度之間的悖論。

芯片的競(jìng)爭(zhēng)，本質(zhì)上是經(jīng)濟(jì)與科技實(shí)力的較量。在發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的歷程中，確有舉國(guó)之力傾注其中的例子。但在某些特定時(shí)刻，技術(shù)飛躍又依靠一個(gè)個(gè)天才的構(gòu)思。

為了推倒芯片發(fā)展征途上的各種路障，一個(gè)個(gè)破局者出現(xiàn)，在他們的故事中，芯片的歷史，由純粹而熱血的智識(shí)挑戰(zhàn)構(gòu)成。走過(guò)歷史的困境，我們才能知道，如何解綁我們對(duì)芯片未來(lái)的想象。

硅谷前史：冷戰(zhàn)與嬉皮士

1947年，沃爾特·布拉頓和約翰·巴丁在大名鼎鼎的貝爾實(shí)驗(yàn)室里制造出世界上第一個(gè)點(diǎn)接觸型晶體管。在此基礎(chǔ)上，1951年，威廉·肖克利發(fā)明了結(jié)型晶體管。三位科學(xué)家因此共享了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)—彼時(shí)人們尚未充分意識(shí)到，一個(gè)小小的元件將會(huì)成為電子信息時(shí)代的先聲。

這不是一個(gè)偶然的結(jié)果。

1925年，美國(guó)電話電報(bào)公司（AT&T）將西方電氣公司工程部與AT&T研發(fā)部合并為一個(gè)獨(dú)立的科研中心，以電話發(fā)明人貝爾的名字命名。對(duì)當(dāng)時(shí)很多科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是一片圣地，他們可以在里面做任何異想天開(kāi)的研究。

沒(méi)有任何一種自由是無(wú)根的。貝爾實(shí)驗(yàn)室背靠的AT&T當(dāng)時(shí)在美國(guó)市場(chǎng)上具有壟斷地位，高昂的利潤(rùn)讓他們能夠?yàn)樨悹枌?shí)驗(yàn)室提供每年至少10%的基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)。另一方面，美國(guó)政府為貝爾實(shí)驗(yàn)室提供大量資助，軍事部門成為貝爾實(shí)驗(yàn)室的最大客戶。最開(kāi)始出現(xiàn)晶體管的發(fā)明需求，是因?yàn)槎?zhàn)時(shí)期基于真空管的設(shè)備和軍艦有一半以上在操作當(dāng)中存在問(wèn)題。1947年之后的5年內(nèi)，全美總共生產(chǎn)了9萬(wàn)個(gè)半導(dǎo)體晶體管，幾乎全部被美國(guó)軍方收購(gòu)。

來(lái)自企業(yè)和軍方的資金支持，保證了實(shí)驗(yàn)室的科研人員能夠心無(wú)旁騖地把自己的設(shè)想推向一個(gè)又一個(gè)高峰。

有趣的是，這部最開(kāi)始由戰(zhàn)爭(zhēng)史支撐起來(lái)的科技史，正在朝向叛逆史轉(zhuǎn)變。如果說(shuō)貝爾實(shí)驗(yàn)室最早培育了一批不用操心錢的科學(xué)家，那么接下來(lái)，自主創(chuàng)業(yè)的風(fēng)潮很快會(huì)將“財(cái)富”二字帶到這些科學(xué)家面前。

1955年，不滿足于自己的名字只能與基礎(chǔ)研究掛鉤，他還希望自己作為富豪出現(xiàn)在《華爾街日?qǐng)?bào)》上，肖克利離開(kāi)了貝爾實(shí)驗(yàn)室，在舊金山郊區(qū)以自己的名字成立了一家半導(dǎo)體公司。

據(jù)說(shuō)肖克利在報(bào)紙上用代碼的形式刊登招聘廣告，為自己招到了當(dāng)時(shí)業(yè)務(wù)水平最頂尖的工程師。強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手的局面本應(yīng)很快能為肖克利帶來(lái)他想要的名利，但是他為人剛愎自用，有做基礎(chǔ)研究的頭腦，卻沒(méi)有管理企業(yè)的才干。因?yàn)楣竟芾頊o散，業(yè)務(wù)下降，1957年，肖克利手下8名工程師因無(wú)法忍受他的控制，離開(kāi)公司自立門戶，創(chuàng)辦了一家名為“仙童”的半導(dǎo)體公司，這家公司被認(rèn)為是硅谷（Silicon Valley）的雛形。“硅谷”正是因作為半導(dǎo)體原料的高純度硅而得名。

IBM的工業(yè)設(shè)計(jì)顧問(wèn)向庫(kù)布里克提議：你電影里的計(jì)算機(jī)太小了，這不符合常理。庫(kù)布里克說(shuō)，不，越來(lái)越小是計(jì)算設(shè)備未來(lái)發(fā)展的真正趨勢(shì)。

仙童創(chuàng)立之前，半導(dǎo)體電路中的各個(gè)元器件彼此獨(dú)立，單個(gè)晶體管、電容和電阻插在電路板上，還需要另外的線路連接。在技術(shù)爆發(fā)時(shí)期，半導(dǎo)體電路上的晶體管數(shù)量迅猛增加，再對(duì)單個(gè)晶體管進(jìn)行手工連線幾乎是不可能的任務(wù)。于是仙童開(kāi)始致力于集成電路的研發(fā)，他們?cè)O(shè)想能夠直接在一整個(gè)硅晶表面同時(shí)做出晶體管和它們之間的導(dǎo)線，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)—芯片，就是這樣一塊含有集成電路的硅片。

1957年10月4日，蘇聯(lián)的斯普特尼克1號(hào)衛(wèi)星升入太空，為美國(guó)帶來(lái)了巨大的軍工和科技?jí)毫Γ驮谶@時(shí)，仙童收到了第一筆大訂單，來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）。1962年，仙童的芯片被用于阿波羅計(jì)劃。

然而，硅谷的工程師們隱隱感覺(jué)到，芯片的未來(lái)不止在火箭上。

1963年，有史以來(lái)最著名的科幻電影《2001太空漫游》面世，IBM（國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司）的工業(yè)設(shè)計(jì)顧問(wèn)向庫(kù)布里克提議：你電影里的計(jì)算機(jī)太小了，這不符合常理，“發(fā)現(xiàn)號(hào)”飛船的計(jì)算機(jī)至少應(yīng)該有一個(gè)房間那么大。庫(kù)布里克說(shuō)，不，越來(lái)越小是計(jì)算設(shè)備未來(lái)發(fā)展的真正趨勢(shì)。

誕生之初有5層樓高的超級(jí)計(jì)算機(jī)，正在一代一代地接近庫(kù)布里克的設(shè)想。

自肖克利之后，從原東家出走自主創(chuàng)業(yè)幾乎成了硅谷的一種傳統(tǒng)。由于與投資方之間矛盾不斷，仙童公司出現(xiàn)離職潮，開(kāi)始向整個(gè)硅谷開(kāi)枝散葉。

制作出第一塊硅基芯片的羅伯特·諾伊斯與戈登·摩爾于1968年合作創(chuàng)辦了英特爾（Intel）公司。被仙童解雇的杰里·桑德斯于次年成立了美國(guó)超威半導(dǎo)體公司（AMD）。這兩家公司打響了一場(chǎng)曠日持久的戰(zhàn)爭(zhēng)，在芯片領(lǐng)域成了“死對(duì)頭”。

喬布斯說(shuō)，那時(shí)候的仙童就像一支成熟的蒲公英，硅谷到處都是“小仙童”們新開(kāi)的創(chuàng)業(yè)公司。

與硅谷一同蓬勃起來(lái)的，還有嬉皮士、搖滾樂(lè)、摩托車。充滿叛逆精神的60年代，工程師們比他們?nèi)魏我淮拜叾几匾晜€(gè)人價(jià)值的實(shí)現(xiàn)與私人財(cái)產(chǎn)的獲得，一位員工在仙童的離職調(diào)查表里寫下：“我……要……發(fā)……財(cái)……”

在此后的幾十年里，硅谷不僅是新科技的搖籃，也成為了工程師們追尋財(cái)富的應(yīng)許之地，肖克利沒(méi)能達(dá)成的愿望，將被后來(lái)的硅谷人實(shí)現(xiàn)。

未來(lái)，人們希望擁有更輕便的收音機(jī)，希望在自己的臥室里放一臺(tái)電腦，希望在盡可能便攜的設(shè)備上完成盡可能多的任務(wù)—時(shí)代精神的轉(zhuǎn)向?yàn)殡娮赢a(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了前景，反過(guò)來(lái)，電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也即將推動(dòng)社會(huì)關(guān)系的變革，越來(lái)越小的器件給每個(gè)人帶來(lái)前所未有的私人空間，一代人的精神世界會(huì)被電子產(chǎn)業(yè)重新塑造。

1965年，戈登·摩爾為《電子學(xué)》雜志寫了一篇文章，在《將更多的元件放進(jìn)集成電路》里面，他對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)做出大膽預(yù)測(cè)：在未來(lái)十年內(nèi)，芯片里的晶體管數(shù)量將會(huì)每?jī)赡攴环瑫r(shí)價(jià)格下降一半。后來(lái)這個(gè)周期被修正為“18個(gè)月”，這就是大名鼎鼎的摩爾定律。

芯片越來(lái)越小，它的潛能卻越來(lái)越驚人。這個(gè)指數(shù)級(jí)規(guī)律的背后，是那一代科學(xué)家對(duì)電子信息社會(huì)指數(shù)級(jí)膨脹的野望。

低端與頂尖的辯證法：日本和中國(guó)臺(tái)灣

任何一樣技術(shù)，走出實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程，都不比它誕生的過(guò)程更容易。

20世紀(jì)60年代，芯片制造還是一種勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)。完成生產(chǎn)的最后環(huán)節(jié)，是用顯微鏡將芯片定位，把硅芯片貼在基片上，再手動(dòng)縫合金線，最后插入儀表進(jìn)行測(cè)試。為了真正實(shí)現(xiàn)芯片的大規(guī)模生產(chǎn)，就得先找到大量能勝任此工作的工人。

英特爾的老板諾伊斯找到了中國(guó)香港，這里的人力成本約為每小時(shí)25美分，是美國(guó)國(guó)內(nèi)水平的十分之一。1963年，仙童半導(dǎo)體公司將晶圓的測(cè)試封裝工作外包到香港，成為第一家在亞洲進(jìn)行海外組裝的半導(dǎo)體公司。

緊接著，美國(guó)人很快發(fā)現(xiàn)，還有比香港更便宜的地方：中國(guó)臺(tái)灣的人力成本是每小時(shí)19美分，馬來(lái)西亞15美分，新加坡只要11美分。

這次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移給芯片終端技術(shù)的積累帶去了機(jī)會(huì)。這一時(shí)期，日本國(guó)內(nèi)正在如火如荼地發(fā)展本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。盡管在技術(shù)上，日本遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國(guó)，但日本有一個(gè)聰明的做法，提前搶占尚未引起美國(guó)足夠重視的民用半導(dǎo)體市場(chǎng)。

德州儀器發(fā)明了世界上第一臺(tái)晶體管收音機(jī)，可惜的是，由于美國(guó)人的使用習(xí)慣以家庭為單位，他們認(rèn)為在一個(gè)家庭有一臺(tái)大收音機(jī)的情況下，袖珍收音機(jī)不會(huì)有市場(chǎng)。反而是人稠地密的日本敏銳地意識(shí)到，“一人一臺(tái)”才是收音機(jī)的未來(lái)。

索尼的前身東京通信工業(yè)株式會(huì)社于1955年研發(fā)了第一臺(tái)量產(chǎn)晶體管收音機(jī)，并且把它賣到了全世界。他們不僅獲得了巨大的收益，還培養(yǎng)了青少年的個(gè)人收聽(tīng)習(xí)慣，為后來(lái)的隨身聽(tīng)（walkman）文化、耳機(jī)文化打下了基礎(chǔ)。

在晶體管產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向芯片產(chǎn)業(yè)的過(guò)程中，仙童和德州儀器把平面工藝專利和基爾比專利牢牢把握在自己手里，其他人想要進(jìn)芯片產(chǎn)業(yè)分一杯羹，必須要先取得這兩項(xiàng)專利。

盡管在基礎(chǔ)邏輯芯片的設(shè)計(jì)上，日本相比美國(guó)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，但是由于政府的支持，嚴(yán)格的企業(yè)管理，以及對(duì)芯片質(zhì)量的嚴(yán)苛控制，日產(chǎn)芯片的良品率大大超過(guò)美國(guó)。

日本電氣NEC順利從仙童公司引進(jìn)了集成電路平面制造工藝，德州儀器卻在1964年向日本提出在日設(shè)立子公司的要求，以此作為分享基爾比專利的條件。

答應(yīng)這個(gè)條件，日本本土的半導(dǎo)體市場(chǎng)將會(huì)受到巨大沖擊，于是他們想出了一個(gè)斡旋的辦法。

1968年，索尼與德州儀器成立合資公司，各持一半股份，并約定到一定期限索尼會(huì)將股份出售給德州儀器。到德州儀器終于在日本擁有第一家全資子公司的時(shí)候，日本已經(jīng)通過(guò)各種辦法為本國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)爭(zhēng)取了長(zhǎng)達(dá)8年的窗口時(shí)間。

盡管在基礎(chǔ)邏輯芯片的設(shè)計(jì)上，日本相比美國(guó)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，但是由于政府的支持，嚴(yán)格的企業(yè)管理，以及對(duì)芯片質(zhì)量的嚴(yán)苛控制，日產(chǎn)芯片的良品率大大超過(guò)美國(guó)。

80年代，冷戰(zhàn)局勢(shì)緩和之后，當(dāng)美國(guó)芯片公司把注意力從軍用需求轉(zhuǎn)向民用市場(chǎng)的時(shí)候，他們發(fā)現(xiàn)，自己完全競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)已經(jīng)把收音機(jī)、計(jì)算器這樣的民用電子產(chǎn)品做到極致的日系企業(yè)。此時(shí)存儲(chǔ)芯片的市場(chǎng)幾乎已經(jīng)是日本的天下，以至于英特爾退出了這項(xiàng)業(yè)務(wù)，轉(zhuǎn)而專心研究微處理器。

然而，日本這條起于模仿、專于制造的半導(dǎo)體發(fā)展之路，機(jī)遇與憂患并存。

由于日本芯片產(chǎn)業(yè)所依賴的核心技術(shù)與知識(shí)產(chǎn)權(quán)基本來(lái)自美國(guó)的扶持和默許，等到美國(guó)想要從日本企業(yè)手里奪回芯片市場(chǎng)的時(shí)候，一場(chǎng)不可避免的專利大戰(zhàn)就開(kāi)始了。

在英特爾眼里，微處理器有玫瑰色的未來(lái)，但是我們還需要知道，進(jìn)入超大規(guī)模集成電路（VLSI）階段意味著一塊芯片上集成的元件數(shù)超過(guò)10萬(wàn)個(gè)。

還記得英特爾的創(chuàng)始人戈登·摩爾的那條定律嗎？這條規(guī)律遭遇了自己埋下的悖論。摩爾定律表示，芯片上的元件數(shù)量在一定周期內(nèi)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，然而與此同時(shí)，芯片的制造時(shí)長(zhǎng)則會(huì)因?yàn)樵?shù)量規(guī)模的擴(kuò)大而成倍延長(zhǎng)，這又會(huì)拖慢芯片的迭代速度。

這樣一來(lái)，芯片就被自己鎖死了。

解決這個(gè)問(wèn)題的，是一個(gè)從玩具積木里得到的天才靈感。參與解決VLSI設(shè)計(jì)問(wèn)題的美國(guó)施樂(lè)公司派出林恩·康維，這位科學(xué)家提出用計(jì)算機(jī)輔助芯片設(shè)計(jì)的同時(shí)，從樂(lè)高的規(guī)格當(dāng)中得到啟發(fā)，把芯片設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)的分離往前推動(dòng)了一步。

當(dāng)時(shí)，每隔兩年迭代一次的芯片設(shè)計(jì)總是要推翻上一代的基礎(chǔ)重來(lái)，康維提出，如果把晶體管柵長(zhǎng)的一半確定為芯片設(shè)計(jì)版圖的最小尺寸單位，記作希臘字母λ，這樣一來(lái)，無(wú)論演進(jìn)到多少代，這個(gè)基本數(shù)值乘以某個(gè)系數(shù)之后可以直接使用。

在λ法則的幫助下，專門提供芯片加工的代工廠與芯片設(shè)計(jì)公司可以分開(kāi)運(yùn)作。芯片生產(chǎn)的三大環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)，能夠在全球化背景下彼此獨(dú)立相互配合，生產(chǎn)效率大大提高。

康維與自己的導(dǎo)師卡弗·米德合著，把這個(gè)法則寫進(jìn)了《超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)導(dǎo)論》，但當(dāng)時(shí)人微言輕的康維，由于變性人身份備受歧視，只能作為這本書的第二作者。

幾年之后，這本書的意義卻在中國(guó)臺(tái)灣的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)初創(chuàng)與發(fā)展中顯現(xiàn)出來(lái)。

1985年，華裔企業(yè)家張忠謀接任中國(guó)臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院院長(zhǎng)，他與“中國(guó)臺(tái)灣科技教父”李國(guó)鼎會(huì)見(jiàn)，商討臺(tái)灣地區(qū)工業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，擺在眼前的問(wèn)題是，當(dāng)時(shí)臺(tái)灣除了低端制造業(yè)，根本沒(méi)有能拿得出手的產(chǎn)業(yè)。

張忠謀想起了他在美國(guó)讀書的時(shí)候看過(guò)的一本書—正是康維與米德合著的《超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)導(dǎo)論》，這本書最重要的結(jié)論就是，芯片設(shè)計(jì)應(yīng)該與制造分離。兩個(gè)天才的頭腦隔著時(shí)空碰撞在一起—制造業(yè)有沒(méi)有可能是半導(dǎo)體行業(yè)的未來(lái)呢？

張忠謀決定在臺(tái)灣地區(qū)創(chuàng)辦一家純代工的晶圓廠，只提供制造服務(wù)，臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司（簡(jiǎn)稱“臺(tái)積電”）就此誕生。張忠謀把目光對(duì)準(zhǔn)了無(wú)廠設(shè)計(jì)公司，你設(shè)計(jì)，我來(lái)加工，保質(zhì)保量。

1988年，臺(tái)積電拿到英特爾的訂單，打開(kāi)了知名度。再過(guò)4年，日漸穩(wěn)定的盈利支持了臺(tái)積電在芯片制造工藝上的研發(fā)與創(chuàng)新，技術(shù)與世界水平的差距縮小到一代。又過(guò)了10年，臺(tái)積電超過(guò)了除英特爾之外的其他所有晶圓廠。

當(dāng)芯片上的元件數(shù)量越來(lái)越多，密度越來(lái)越高，設(shè)計(jì)越來(lái)越精細(xì)的時(shí)候，制造芯片就是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條里最艱難的一環(huán)。起于勞動(dòng)密集型的臺(tái)積電，日后將會(huì)在這個(gè)逐漸轉(zhuǎn)向技術(shù)密集型的環(huán)節(jié)上大放異彩。

芯片的未來(lái)：拯救摩爾定律

摩爾定律，這個(gè)說(shuō)法常常會(huì)給人一種誤解，以為芯片行業(yè)的發(fā)展“本該如此”。但是實(shí)際上，摩爾定律是戈登·摩爾在總結(jié)市場(chǎng)規(guī)律之后做出的預(yù)測(cè)，并不是一條物理定律。

霍金說(shuō)，摩爾定律的極限是光速和量子隧穿效應(yīng)。

1965年這條規(guī)律提出之后，芯片產(chǎn)業(yè)一直在其指導(dǎo)下快速穩(wěn)步發(fā)展，不斷進(jìn)行著精細(xì)化的自我革命。到80年代，摩爾定律卻險(xiǎn)些遭遇失效的危機(jī)，因?yàn)樾酒木?xì)化不是無(wú)限的，技術(shù)會(huì)不斷“撞墻”。

形容詞只是一個(gè)抽象的表達(dá)，我們需要更具象地說(shuō)明芯片的“精細(xì)”是一件多么困難的事：搭載于蘋果手機(jī)iPhone 12的A14芯片，僅有指甲蓋大小，采用臺(tái)積電5nm工藝，上面集合了118億個(gè)晶體管。

我們是怎么越過(guò)重重技術(shù)高墻走到這一步的呢？上世紀(jì)80年代，科學(xué)家和工程師們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)芯片制程到達(dá)35nm，芯片就不能再變小了。這時(shí)候的摩爾 已經(jīng)做了多年技術(shù)專家和企業(yè)家，基礎(chǔ)研究被他擱置很久，無(wú)力解答重重困局的他只能去請(qǐng)教霍金：摩爾定律的未來(lái)在哪里？

霍金說(shuō)，摩爾定律的極限是光速和量子隧穿效應(yīng)。

我們都知道，晶體管的工作有兩個(gè)狀態(tài)，0和1，實(shí)現(xiàn)這個(gè)“開(kāi)關(guān)”功能的，是晶體管的柵極。柵極接收輸入信號(hào)之后，分別接通晶體管的源極和漏極，完成兩個(gè)狀態(tài)的切換。源極和漏極之間是一條導(dǎo)電溝道，在晶體管不斷變薄的過(guò)程中，導(dǎo)電溝道會(huì)不斷變窄，到一定程度就會(huì)遭遇霍金所說(shuō)的“隧穿效應(yīng)”：源極和漏極之間由于距離過(guò)短而出現(xiàn)電子干擾，提前接通電路，導(dǎo)致漏電。

“開(kāi)關(guān)”失效，晶體管的工作也就亂了套。為此，我們不得不把絕緣體的厚度盡可能打薄，讓柵極距離導(dǎo)電溝道更近，越過(guò)漏極對(duì)導(dǎo)電溝道的影響。當(dāng)導(dǎo)電溝道接近35nm的時(shí)候，芯片絕緣體僅能有一層原子的厚度，我們?cè)僖舱也坏饺魏吻懈畈牧蟻?lái)把它做得更薄—35nm晶體管就成了極限。

芯片的發(fā)展，似乎已經(jīng)觸碰到了天花板。

或許此時(shí)正在搭載著5nm制程芯片的手機(jī)上閱讀這篇文章的你，一定已經(jīng)意識(shí)到，在現(xiàn)實(shí)世界里，這個(gè)危機(jī)并沒(méi)有發(fā)生。華裔科學(xué)家胡正明，于1999年找到了解決芯片漏電的辦法。他發(fā)明了一種鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET），半個(gè)世紀(jì)以來(lái)的模式思維被打破了：如果絕緣體不能變薄，不如讓源極和漏極像魚鰭一樣呈縱向升高，在絕緣體上面立起來(lái)，從而增加與柵極的接觸面積，來(lái)防止電子“逃跑”。

這個(gè)辦法不僅可行，而且比削薄晶體管更便宜。就是這樣一個(gè)看似天真的簡(jiǎn)單設(shè)想，扭轉(zhuǎn)了晶體管窮途末路的命運(yùn)，開(kāi)創(chuàng)了3D晶體管的嶄新時(shí)代。

然而摩爾定律就像一個(gè)百病纏身的老人，一波未平一波又起，2002年，摩爾定律再次遭遇危機(jī)。

正如前文所述，芯片生產(chǎn)發(fā)展到本世紀(jì)初，基本已經(jīng)形成了設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)三大環(huán)節(jié)分立的產(chǎn)業(yè)鏈條，首先進(jìn)行芯片的基礎(chǔ)邏輯設(shè)計(jì)，隨后將芯片圖紙制作成掩膜，再使用光刻、刻蝕等步驟，將芯片電路圖從掩膜版轉(zhuǎn)移到硅片上，最后對(duì)芯片進(jìn)行封裝和性能測(cè)試。

電路圖從掩膜版到硅片上轉(zhuǎn)移的過(guò)程，是芯片生產(chǎn)中的驚險(xiǎn)一躍。科學(xué)家對(duì)芯片的想象能不能從大腦中解放出來(lái)，落在一個(gè)真正能投入使用的硅片上，主要依賴光刻技術(shù)。其原理是在晶圓上涂上光刻膠，光透射之后經(jīng)過(guò)掩膜版令光刻膠發(fā)生性質(zhì)變化，就能把成比例縮小后的芯片線路圖投到硅片上。

光刻機(jī)能實(shí)現(xiàn)的分辨率越小，它在單位面積硅片上制造的晶體管就越多，芯片的制程水平和性能就越好。

根據(jù)摩爾定律，2002年的芯片工藝制程應(yīng)該在157nm光刻技術(shù)的支持下迭代到45nm，然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，157nm的紫外光在空氣中會(huì)被氧分子吸收，照射到晶圓上的效率不能保證，因此157nm光刻技術(shù)遲遲無(wú)法進(jìn)行商業(yè)化落地。

芯片設(shè)計(jì)工程師的想法雖然沒(méi)有極限，本應(yīng)把頭腦中的輝煌圖紙“畫”在硅片上的“手”卻被掣住了。

這個(gè)時(shí)候，摩爾定律再次被一位華裔科學(xué)家續(xù)命。當(dāng)時(shí)，世界上做光刻技術(shù)最好的企業(yè)是荷蘭的阿斯麥，以及日本的佳能和尼康。面臨157nm光刻技術(shù)瓶頸，尼康和佳能選擇的研發(fā)方向是降低曝光波長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)波長(zhǎng)更短的深紫外光刻機(jī)。但是來(lái)自臺(tái)積電的工程師林本堅(jiān)有一個(gè)不同尋常的想法。我們小時(shí)候都曾有過(guò)把筷子插進(jìn)水里，看到筷子好似折斷變短的經(jīng)驗(yàn)，林本堅(jiān)提出的就是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單得近似玩笑的辦法：在鏡頭和晶圓片之間敷上一層薄薄的超純水。水對(duì)上一代193 nm紫外光的折射率為1.44，計(jì)算后水中等效波長(zhǎng)是134 nm，就能成功打破157 nm光刻的發(fā)展壁壘。

其實(shí)早在上世紀(jì)80年代，林本堅(jiān)就已經(jīng)想到了用水代替空氣作為鏡頭與晶圓之間的介質(zhì)，但是當(dāng)時(shí)的芯片制程還沒(méi)有降到納米級(jí)別，對(duì)光刻技術(shù)的精度無(wú)需這么高。過(guò)了15年，林本堅(jiān)的想法等到了一個(gè)“懷才可遇”的時(shí)代。

林本堅(jiān)在國(guó)際會(huì)議上向同行們展示浸沒(méi)式光刻技術(shù)的可行性時(shí)，剛剛解決了晶體管危機(jī)的胡正明就在臺(tái)下。胡正明看到臺(tái)上的工程師手里拿著一幅圖，上面畫著一堵阻擋半導(dǎo)體發(fā)展的紅墻，正在跨過(guò)這堵墻的一匹馬，上面標(biāo)注著“浸沒(méi)”。

芯片設(shè)計(jì)工程師的想法雖然沒(méi)有極限，本應(yīng)把頭腦中的輝煌圖紙“畫”在硅片上的“手”卻被掣住了。這個(gè)時(shí)候，摩爾定律再次被一位華裔科學(xué)家續(xù)命。

阿斯麥最先響應(yīng)了林本堅(jiān)的設(shè)計(jì)，與佳能和尼康分道揚(yáng)鑣，轉(zhuǎn)向浸沒(méi)式光刻機(jī)研發(fā)。

3年后，在阿斯麥與臺(tái)積電的共同研發(fā)下，浸沒(méi)式光刻機(jī)投入生產(chǎn)，將芯片制程降低到45nm以下。

阿斯麥賭贏了，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩開(kāi)了佳能和尼康，市場(chǎng)占有率從原來(lái)的三分天下躍升至80%，成為光刻領(lǐng)域的龍頭。

2012年，英特爾發(fā)布了基于22nm工藝的商業(yè)化FinFET，胡正明十年前為解除芯片發(fā)展危機(jī)提出的辦法被證明實(shí)際有效，芯片制造進(jìn)入了20nm量級(jí)。如今，三星和臺(tái)積電等半導(dǎo)體代工企業(yè)能夠繼續(xù)生產(chǎn)20nm以下的晶體管，依然得益于胡正明的發(fā)明。

胡正明曾多次公開(kāi)表示他對(duì)芯片發(fā)展的信心：“芯片功耗還可以提高1000倍，集成電路產(chǎn)業(yè)還能成長(zhǎng)100年。”

會(huì)是這樣嗎？

讓我們把時(shí)間的指針盡可能地往前撥。我們會(huì)越過(guò)肖克利，來(lái)到1926年，波蘭裔物理學(xué)家利林費(fèi)爾德發(fā)現(xiàn)了晶體管的操作原理：在半導(dǎo)體表面添加一個(gè)電場(chǎng)來(lái)控制源極與漏極之間的導(dǎo)電溝道。1934年，德國(guó)發(fā)明家?jiàn)W斯卡·海爾也發(fā)現(xiàn)，能夠用電極上的電容耦合控制半導(dǎo)體中的電流。他們都為自己申請(qǐng)了專利，但遺憾的是，由于當(dāng)時(shí)晶體方面物理知識(shí)的缺乏，原材料達(dá)不到足夠的純度，能夠達(dá)成場(chǎng)效應(yīng)的元件無(wú)法實(shí)際制成。

當(dāng)肖克利在貝爾實(shí)驗(yàn)室里第一次為場(chǎng)效應(yīng)晶體管申請(qǐng)專利的時(shí)候，曾因費(fèi)爾德的早期專利而遭到駁回。理論向技術(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)未完成的這一跳，讓我們與半導(dǎo)體相遇的時(shí)間晚了近20年。如今我們知道，對(duì)芯片來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)太長(zhǎng)的尺度。

拋開(kāi)軍事、政治、市場(chǎng)爭(zhēng)奪等等因素，再次回顧芯片發(fā)展歷程，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它從根本上來(lái)說(shuō)是一部基礎(chǔ)研究與工業(yè)技術(shù)相互推動(dòng)的歷史，“手”與“腦”相輔相成。

從芯片誕生之初就捆綁著我們的摩爾定律，是一個(gè)自我達(dá)成的預(yù)言，我們終究發(fā)現(xiàn)，這條規(guī)律的魅力在于，推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)步的根源動(dòng)力永遠(yuǎn)來(lái)自我們自己。

我們不知道芯片的最終極限在哪里，但這段歷史已經(jīng)證明，那至少不是人類的極限。