纪念摩尔定律50周年(下)

摘要：为纪念摩尔定律发表50周年，本文介绍了摩尔定律的最初提出，一直作为信息技术工业的第一定律，它不仅有力地促进了电子信息工业的快速发展，甚至深刻地改变了社会历程和人类生活。今天摩尔定律正在接近它的终极，文章较详细地描述了“后摩尔定律时代”的多元化技术发展。

接上期

摩尔定律的终极

　　摩尔定律简单一点地说，就是使电子产品的更新换代快，而且有规律可循，今天买了一台电脑，它的性能是两年前同等价格所买电脑的两倍。摩尔定律表达的“集成电路集成度提高成本下降”的含义，或可推演而成“性能提高成本下降”的一般概念，那就适用于一切产业，包括汽车、航空、钢铁等等，事实上，电子业界的产品、所用半导体、制造设备和材料等有关厂商都以摩尔定律作为基准来制定各自的开发计划。摩尔定律堪称“魔术师手拿的棍子”，成为将“科幻世界”转变为现实的原动力，技术不断进步的源泉。

　　摩尔定律的作用如此巨大，受到了人们的无限崇拜，爱之不能释手，似已不可一日或无。日前有外媒刊载了一篇以“五十年后摩尔定律才开始颠覆一切”为题的文章说：“4月19日是摩尔定律发表五十周年，在现代，摩尔定律对工业和人类社会的影响超过了其他任何事物”，“摩尔定律已经彻底改变了我们的生活”，“更加重要的是，其影响才刚刚开始，尽管摩尔本人曾说，他认为他提出的摩尔定律会在这个十年结束时失效”。

　　另一方面，业界人士对摩尔定律何时终结的讨论已有数年，也有外媒前几年就直白地说：“摩尔定律已死?重要吗?”“业界持续讨论摩尔定律终结已经有一段时间了……摩尔定律终结可能大幅改变目前的产业……美国国防部先进研究计划署(DARPA)微系统技术办公室总监Robert Colwell(甚至)说，摩尔定律终结将成为美国国家安全的威胁……(但是，)我们当然不能指望50年来沿用的技术永远不发生改变地持续下去”。

　　世界万物有始必有终，摩尔定律总有失效之时。摩尔本人坦承：“Something like this can’t continue for ever”他在2005年纪念摩尔定律40周年时曾说，再过40年后的情况不可想象，但他预想摩尔定律还可存在一、二十年。上面说过，推进摩尔定律发展的动力是工艺微细化，1970年半导体的加工尺寸为10μm，经过40年到2005年接近50μm，缩小了200多倍，大约每3年发生一次技术变革，从0.1um后工艺微细化速度开始趋缓。大约在进入新世纪之前，工艺微细化即曾遭遇到3次所谓极限挑战：第1次是1985年的1μm，第2次是上世纪90年代的深亚微米(0.5μm以下)，第3次是21世纪初的0.1μm，但都一一被化解，延续发长到今天的20nm左右。市场调研公司iSuppli在2009年曾发表一份报告指出：“1965年出现的摩尔定律在20nm～18nm工艺之间仍然有效，但达到18nm之后很可能失效，引起了热议。究其原因，其一是技术突破难度加大，其二是成本太高无法回收。据统计，世界半导体业营收1960年～1995年的年均增长率达17%，而自1995年～2010年间已下降到约6%。

　　到目前为止，英特尔、IBM都仍主要采用22nm成熟工艺，AMD更停留在 28nm多年，业界正在转向l4nm和10nm工艺。最近外媒报道，IBM采用EUV(远紫外光刻)技术和硅锗(SiGe)材料开发成功了7nm芯片，可容纳200亿个晶体管，面积比10nm工艺缩小近一半，《纽约时报》最初即以“IBM Announces Computer Chips More Powerful than Any in Existence为题发表了报道，有些媒体更直言“IBM打了英特尔的脸”。实际上，IBM的产品还仅处于实验室阶段，而人们早在3年前就耳闻英特尔已开始了7nm和5nm工艺的研发，在今年的ISSCC(国际固态电路会议)上，英特尔高级研究人员表示将在2018年前推出7nm工艺产品。既便如此，人们都已看到摩尔定律前进的脚步在大大放慢。

　　业界大多人士已承认摩尔定律正走向终极!2014年在加州召开的“IEEE Technology Time Machine(TTM)2014”(2014年美国电气电子工程师协会未来技术设备)研讨会上，与会专家学者认为，摩尔定律不一定已达终点，但正接近终点。基于摩尔定律的高速技术发展已不可能，今后必须推翻旧传统，探索新技术，寻求新机遇。预计今后20年内将引入“后CMOS”的新器件和非诺伊曼计算机结构，值得注意的技术有量子计算机、大数据、碳纳米管及仿(人)脑技术等。就在这个会上，摩尔本人也说：“我认为摩尔定律将在下个10年左右告终”。博通公司首席技术官(CTO)Henry Samueli在纪念以太网诞生40周年的大会上对半导体业的前景作了展望，他说：“摩尔定律日渐接近终点，所剩下的时间大约也就15年了。标准的硅CMOS晶体管的微细化停滞在5nm上下，再后的进步怕已难以见到。”

　　就在笔者审阅本文时，《金融时报》7月中旬以《英特尔CEO：摩尔定律即将终结》为题的报道指出，摩尔此前曾表示：“这一定律能持续正确如此长的时间令人惊讶。最初的预言只关注了10年，我当时认为这已经是一段漫长的时间。然而，这样的定律持续了50年，这令人惊叹。但未来某天，这一定律将会失效。”现任Intel公司CEO Brian Krzanich 也警告称，摩尔定律即将走向终结!可见最坚定守护摩尔定律的Intel公司面对现实，终于改口了。且公司有实际行动，它于6月初以167亿美元巨资收购了生产FPGA的巨擘Altera公司，FPGA(现场可编辑门阵列)是可作为类似GPU(图形处理器)一样的加速技术整合进CPU的，也就是将CPU和FPGA整合在一起了。原因无非是摩尔定律失速，CPU的频率已登顶，集成度已很难继续提高。一句话，如若单单依靠摩尔定律，产品性能已无法提高，不得不说这是公司看到“后摩尔定律”时代后的一项重大应对措施。

　　《日经电子学》近期也以《再见吧!摩尔定律》为题来纪念其50周年，文章说：(摩尔定律)作为电子产业持续成长的基础，如今已近黄昏，今后沿着摩尔定律提高集成度之路已走到尽头的半导体产品将渐渐发展多样化。但业界并不悲观，认为未来将迎来“创新的时代!”“既不能再仰赖器件尺寸的缩小，那就开始多姿多采的技术进步吧!”后摩尔定律时代足以引起业界极度注目的技术大致有：

　　3D化

　　走在微细化工艺最前列的NAND闪存，目前平面NAND大公司的加工工艺已达1X的水平，普遍认为10nm将达于终极(图4)，以后则将走3D化道路。3D化NAND的概念是东芝公司于2007年提出的，量产则是三星公司率先施行的，2013年大量生产2位/单位的128Gb产品，2015年发表了3位/单元的128Gb产品，其他公司將于2015年～2016年相继开始量产，成为近期主流产品技术。