摩爾定律失效後,晶片的未來將會怎樣?

1960年,賓夕法尼亞大學舉辦了一場影響深遠的國際晶體管電路研討會,一位名為道格拉斯·恩格爾巴特(Douglas Engelbart)的年輕電腦工程師在這次會議上大放異彩,他提出了看起來簡單但卻振聾發聵的“縮小”概念,對業界產生了重要影響。

恩格爾巴特博士隨後還在滑鼠的發明和其他重要的計算機科技上立下了汗馬功勞。他還從理論上闡明,隨著電路尺寸越來越小,元器件速度將會越來越快,能耗和製造成本也會越來越低。而這一切都呈加速發展態勢。

而那天坐在觀眾席上的就有著名的英特爾之父戈登·摩爾(Gordon Moore)。 1965年,摩爾成功量化了縮小概念並提出了影響整個計算機時代的摩爾定律。他預測十年之內半導體晶片上集成的晶體管和電阻數量將每年增加一倍,計算機的處理能力也將獲得大幅提高。

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摩爾的觀點觀點首次發表在1965年4月的《Electronics》雜誌上(點擊這裡查看原文),後來則被世人稱為摩爾定律。實際上它不是一條科學定律,而是對新興的電子產業的觀察報告,在隨後的半個世紀裡,摩爾定律都一直是業界的金科玉律。

在60年代早期,一個寬度僅有棉纖維大小的晶體管,成本都可達到8美元(去除各種因素後量化為現在的美元)。而半個世紀後,指甲蓋大小的晶片便可集成數十億個晶體管,一美分就能買一堆晶體管。

計算機晶片更快更小更強的發展讓矽谷迅速成長,並由此改變著世界,從計算機到智慧手機,再到我們生活中無處不在的互聯網。

不過最近幾年,晶片的發展速度有所減慢,摩爾定律開始不准了。大約十年前,晶片的速度就開始停滯不前,新款產品的迭代時間開始變長,晶體管成本也不再下降。

許多專家認為未來晶片的迭代會變得更慢,其間隔可能會達到2.5—3年。若按現在的速度繼續發展,到21世紀20年代中期,晶體管的尺寸將僅有單個分子大小,晶體管也將變得非常不穩定,若沒有新的技術突破,摩爾定律將會徹底終結。

博通公司首席技術官Henry Samueli表示:“摩爾定律已經頭髮花白,步履蹣跚了。它還沒死,但是時候退休了。”

1995年,摩爾博士就對定律做了修改,將晶體管數量翻番的時間改為了兩年。而且他認為摩爾定律能有這麼久的生命力已經很了不起了。在摩爾定律五十週年紀念會議上他說道:“最初預計該定律的有效期僅有十年,現在已經超額完成任務了。”

但真正困擾我們的問題是,如果提高速度、降低能耗和價格的路走不通了,未來會出現什麼情況呢?

若該情況成真,恐怕受到影響的將不止是計算機產業。英特爾前電子工程師Robert P. Colwell說:“以汽車產業為例,過去三十年來推動其不斷創新和進步的也是摩爾定律。”汽車產業的創新(如引擎控制器、防抱死剎車、導航、娛樂和安全系統等)都與價格逐步降低的半導體息息相關。

而永保青春的矽谷對這種擔憂完全免疫。過去三十年來,業界都認為晶片的速度會更快、容量更高、價格也會更低。人們將這個時代定義為互聯網時代,甚至許多矽谷人認為我們不久之後就會見證奇點到來,到時計算機的運算處理能力將超過人類大腦。

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圖片攝於20世紀60年代末,戈登·摩爾是英特爾公司的創始人之一。 1965年,摩爾博士提出著名的摩爾定律。

Colwell說:“在計算機的進化過程中,人們已經形成了思維定勢,他們會不假思索地購買最新的硬體,因為他們相信晶片在不斷進步。”而我們的半導體技術正在走向物理極限。

物理極限

晶片由金屬線和半導體材料製成的晶體管組成,最先進的晶體管和走線的寬度甚至小於可見光的波長,電子開關更恐怖,其尺寸比生物病毒還小。

現在的晶片採用光刻工藝製造而成,光刻技術自50年代末發明以來一直在不斷進步。而今天,紫外激光技術讓光刻工藝步入了一個新的階段,讓生產商可以直接在晶片上通過金屬掩膜蝕刻電路,就像畫地圖一樣。

而每一副“地圖”就代表一種電路圖案模型,之後在對其上的金屬和半導體進行沉積或侵蝕操作就完成了光刻過程。隨後這些“地圖”就可以在量產中被複製到直徑約一英寸的拋光晶圓上。

光刻機售價約為每台5000萬美元,可以在晶圓表面刻出所需的電路圖案。要完成一塊晶片的製作,至少要經歷50道曝光工序,金屬掩膜更是要與這些圖形設計配合得天衣無縫,否則,生產過程中就會小錯誤不斷,導致良品率下降。

“各種半導體工藝我都有所涉獵,但光刻機絕對是其中技術難度最高的。”Alan R. Stivers說道,他1979年起就開始在英特爾工作,07年退休,他在英特爾的各代晶片研發中居功至偉。

為了進一步縮小設備尺寸,晶片製造商們費盡了心思,甚至都用上了浸沒式光刻機,它可以用水來彎曲光波,從而提高分辨率。另外,他們還採用了多模式光刻技術,這樣就可以通過單獨的掩膜來銳化邊緣並進一步縮小走線和其它元器件的尺寸。

由於元器件和走線的尺寸已經縮小到分子級別,工程師只好在設計中採用計算機模擬技術,該技術需要超強的計算能力。 “這簡直是在戲耍物理學。”設計自動化軟體廠商Mentor Graphics的首席執行官Walden C. Rhines評論說。

如果恩格爾巴特的“縮小”理論無以為繼,大型晶片廠商該何去何從呢?出路之一就是轉向軟體或全新的晶片設計,以原有得晶體管數量實現更高​​的計算性能。說不定由此支撐摩爾定律半個世紀之久的傳統模式還會煥發新的生機一段時間。

哈佛大學計算機科學家David M. Brooks說:“如果矽是我們作畫的畫布,那麼工程師們可以做到更多,而不僅僅是縮小晶體管的大小。”

未來特殊材料也有可能取代矽,並在更小的晶體管、新型存儲器和光通訊設備中扮演重要角色。另外,我們還有許多全新技術,例如量子計算,如果能真正成熟,就將大幅提高運算速度;而自旋電子學將會把計算技術帶入原子級元器件時代。

最近,極紫外光刻技術(EUV)在業界造成了不小的震動。如果該技術獲得成功,晶片的元器件便可進一步縮小,其製造過程也能大大簡化。不過商用化過程中的各類試驗證明該技術暫時還不夠成熟。

今年早些時候,荷蘭光刻機製造商ASML(英特爾有其股份)表示,它們已經獲得了一家美國客戶的EUV大單,大多數業內人士認為這個大戶就是英特爾。這也就意味著英特爾在製造工藝方面又取得了一個身位的領先優勢。

英特爾的高階主管依然堅持自己的既定策落,未來將繼續降低晶片的成本。而其主要競爭對手三星、台積電則認為晶體管價格已經趨於穩定。面對對手的強有力競爭,英特爾依舊信心滿滿,但它也做不到完全無視物理學。

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(專心實驗的Max Shulaker)

因為半導體電路蝕刻過程中使用的材料多數都對紫外線異常敏感,所以必須採用黃色光源。 Shulaker正在斯坦福大學對開發新晶圓,該晶圓搭載了全新的電路。

Colwell說:“即使英特爾這樣的超級巨頭在摩爾定律即將崩塌時也會束手無策。”

今年七月英特爾就表示旗下最新的10奈米(人的頭髮直徑就達到了75000奈米)製程晶片的發布會將推遲到2017年。這打破了英特爾傳統的tick-tock戰略(即奇數年更新製作工藝,偶數年更新微架構)。

英特爾首席執行官Brian Krzanich在一次分析師電話會議上表示:“最近的兩次技術轉換已經表明我們的更新周期從兩年延長到了兩年半。”

沒有“順風車”可搭了

從樂觀的角度來看,晶片開發腳步的放緩會帶來更加激烈的競爭和創新。處於領先地位的四大晶片廠商英特爾、三星、台積電和GlobalFoundries都擁有自己的製造工廠,而許多小型半導體公司可沒這份運氣。

哈佛商學院教授David B. Yoffie說:不過技術進步的放緩可能會給這些小廠帶來一絲喘息的機會,因為他們可以參與技術較低的市場競爭。

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。預計超低功耗電腦晶片會在2020年前問世,屆時可能電池都不再是必需品了,因為太陽能、振動、無線電波甚至汗液都能為其供電。

這樣的晶片會催生什麼樣的產品呢?現在我們還不得而知。不過設計師們不能再依靠處理器性能的提升了,他們不得不在產品開發中換一種思路。托摩爾定律的福,計算機尺寸變得越來越小,但設計方面並沒有什麼大的突破,依舊是以處理器為中心,軟硬體結合的產品。

“過去設計師們都被慣壞了,懶散得很。”蘋果前高管Tony Fadell說道,他曾​​主導了初代iPod的設計工作,而後出走蘋果創立了智慧家庭製造公司Nest Labs。

物理學家Carver Mead(摩爾定律一詞就是他創造出來的)表示:“我們過去基本算是在搭順風車,神奇的是這策略居然很有效。”

話雖如此,摩爾定律也許還能繼續存活十年時間,如果想要更久,我們就只能在創新的道路上奮發圖強了。

出自:NewYork Times  John Markoff

翻譯:雷鋒網

作者:老呂IO

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