2028年實(shí)現(xiàn)1nm芯片，現(xiàn)在摩爾定律已死?

摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談，其核心內(nèi)容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個(gè)月便會增加一倍。摩爾定律是內(nèi)行人摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談，漢譯名為“定律”，但并非自然科學(xué)定律，它一定程度揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。

被稱為計(jì)算機(jī)第一定律的摩爾定律是指IC上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會增加一倍，性能也將提升一倍。摩爾定律是由英特爾(lntel)名譽(yù)董事長戈登·摩爾( Gordon moore)經(jīng)過長期觀察總結(jié)的經(jīng)驗(yàn) [2] 。

1965年，戈登·摩爾準(zhǔn)備一個(gè)關(guān)于計(jì)算機(jī)存儲器發(fā)展趨勢的報(bào)告。他整理了一份觀察資料。在他開始繪制數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的趨勢。每個(gè)新的芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個(gè)芯片產(chǎn)生的時(shí)間都是在前一個(gè)芯片產(chǎn)生后的18~24個(gè)月內(nèi)，如果這個(gè)趨勢繼續(xù)，計(jì)算能力相對于時(shí)間周期將呈指數(shù)式的上升。 Moore的觀察資料，就是現(xiàn)在所謂的Moore定律，所闡述的趨勢一直延續(xù)至今，且仍不同尋常地準(zhǔn)確。人們還發(fā)現(xiàn)這不僅適用于對存儲器芯片的描述，也精確地說明了處理機(jī)能力和磁盤驅(qū)動器存儲容量的發(fā)展。該定律成為許多工業(yè)對于性能預(yù)測的基礎(chǔ) [2] 。

1965年，戈登·摩爾發(fā)表了一篇名為“將更多組件塞進(jìn)集成電路”的短文章。從很少的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行推算，摩爾發(fā)現(xiàn)隨著科技進(jìn)步，特定大小的集成電路內(nèi)可以制造并安裝的晶體管每年都翻一倍，這個(gè)頻率他后來修改為每兩年，也有人定為18個(gè)月。由于晶體管的數(shù)量是計(jì)算能力的粗略替代，這意味著計(jì)算能力每兩年增加一倍。

20年間這樣的增長將經(jīng)歷10次，設(shè)備的數(shù)量將以210為基礎(chǔ)增長，這個(gè)數(shù)值在1000左右。40年的時(shí)間內(nèi)，這個(gè)數(shù)值將是100萬或更多?，F(xiàn)在被稱為“摩爾定律”的這種指數(shù)型增長已經(jīng)持續(xù)了超過50年，所以現(xiàn)在的集成電路中晶體管數(shù)量是1965年的幾百萬倍或者更多。摩爾定律的圖表，尤其是在處理器芯片方面，展示了從20世紀(jì)70年代早期英特爾8008 CPU中的幾千到現(xiàn)在的平價(jià)消費(fèi)筆記本電腦處理器中的十億或更多的增長。表現(xiàn)電路系統(tǒng)規(guī)模的數(shù)字是指集成電路中獨(dú)立功能的大小，例如，一根電線或者晶體管活躍區(qū)域的寬度。這個(gè)數(shù)字在很多年中都穩(wěn)定地縮小著。我在1980年設(shè)計(jì)的第一款集成電路使用了3.5微米的功能組件。

現(xiàn)在的大多數(shù)集成電路使用的功能組件，最小尺寸為14納米，也就是一米的140億分之一，而下一步是10納米?！昂痢笔且磺Х种换蛘?0-3，“微”指一百萬分之一或者10-6，“納”是十億分之一或者10-9。納米縮寫為nm。相比之下，一張紙的厚度或者人的頭發(fā)粗細(xì)約100微米，也就是1毫米的十分之一那么厚。集成電路的設(shè)計(jì)和制造非常復(fù)雜，而且競爭激烈。

制造步驟也很貴，一個(gè)新工廠的成本輕易可達(dá)幾十億美元。無法在技術(shù)和資金方面跟上會成為公司的嚴(yán)重競爭劣勢，沒有這種資源的國家必須依賴其他國家的技術(shù)，這也是很嚴(yán)重的戰(zhàn)略問題。需要注意的是，摩爾定律不是自然定律，而是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)用作目標(biāo)的指導(dǎo)方針。從某種意義上來說這個(gè)定律會有失效的一天。在過去就有人不斷預(yù)測它的局限性，盡管人們一直在尋找解決方法。當(dāng)今我們可以制造出只由一些原子構(gòu)成的電路，但這些電路太小了以至于難以控制。CPU的速度也不再每隔幾年就翻一倍，一部分是因?yàn)楦斓男酒瑫a(chǎn)生太多的熱量，而RAM的容量仍然在增長著。與此同時(shí)，處理器可以通過在芯片上放置多個(gè)CPU的方式來增加晶體管，而且經(jīng)常有多處理器的芯片。今天的一臺個(gè)人計(jì)算機(jī)和1981年最早出現(xiàn)的IBM PC之間的對比結(jié)果是驚人的。

按照摩爾定律，每18個(gè)月芯片的晶圓管密度就會提升1倍，從而性能翻倍。

過去的這幾十年間，芯片制程其實(shí)差不多是按照摩爾定律走的，直到進(jìn)入7nm后，基本上就無法按照這個(gè)定律走了，比如5nm、3nm的演進(jìn)就慢了很多，所以很多人稱現(xiàn)在摩爾定律已死。

不過近日，IMEC(比利時(shí)微電子中心)還是展示了一張最新的芯片制造發(fā)展路線圖，一路看到了2036年的0.2nm工藝，表示接下來芯片制造還是會按照摩爾定律走下去。

如下圖所示的這個(gè)演進(jìn)路徑，2022年實(shí)現(xiàn)N3也就是3nm，2024年到2nm，2026年到A14也就是1.4nm，2028年到1nm，并且還會演進(jìn)，到2036年是直接達(dá)到0.2nm。

同時(shí)在晶圓管技術(shù)上，也有技術(shù)演進(jìn)，目前是FinFET，而到2nm時(shí)會換成GAAFET，再到0.5nm時(shí)，會換成CFET技術(shù)。

不過，大家看看我在上圖標(biāo)的綠色框，這里指的是MP金屬柵極距，這是真正代表晶體管密度，也就是工藝指標(biāo)的參數(shù)。

它在1nm之前還是在不斷變小的，直到1nm工藝時(shí)，為16nm，但接下來不管工藝怎么先進(jìn)，其參數(shù)一直處于16-12nm間了。

意思就是晶體管密度其實(shí)不再怎么變化了，不管你是1nm，還是0.5nm，或者0.2nm，這個(gè)MP金屬柵極距基本不變了。

事實(shí)上，之前已經(jīng)有科學(xué)家表示，當(dāng)芯片工藝在1nm之后，量子隧穿效應(yīng)有可能會讓半導(dǎo)體失效，估計(jì)這也是為什么1nm后，這個(gè)MP金屬柵極距不變了，因?yàn)椴豢赡茉僮冃×恕?

這也代表著接下來工藝究竟是多少nm，它與晶體管密度沒有太多關(guān)系了，更多的還是數(shù)字游戲了，晶圓廠商們愿意說多少nm，就是多少nm，與MP金屬柵極距不再有對應(yīng)關(guān)系。

事實(shí)上，在進(jìn)入10nm之后，大家就吐槽臺積電、三星的所謂nm工藝制程與MP金屬柵極距已經(jīng)不再有對應(yīng)關(guān)系，更多的是數(shù)字營銷游戲，只有英特爾或是清白的，但到了1nm后，那就大家都要玩數(shù)字游戲了，那這樣的摩爾定律究竟還有沒有意義?