延續(xù)摩爾定律或繞道都困難重重：但半導(dǎo)體將在中國超越摩爾定律

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個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能每隔兩年翻一倍。 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。

一位名為戈登 E 摩爾的年輕工程師在認(rèn)真審視了他所從事的這個羽翼初豐的行業(yè)后，預(yù)言了未來10年內(nèi)將出現(xiàn)的大事件。在專業(yè)雜志《電子學(xué)》(Electronics)上刊登的一篇長達(dá)4頁的文章中，摩爾對家庭計算機(jī)、手機(jī)和汽車自動控制系統(tǒng)的未來作出了預(yù)言。他在文中寫道，集成電路上的電子元件將會以最經(jīng)濟(jì)的方式整合在一起，并且元件的數(shù)目將會每年穩(wěn)定遞增，而這種現(xiàn)象將不斷地促進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)出現(xiàn)奇跡。

10年過后，集成電路的指數(shù)級增長——后來被稱為“摩爾定律”——仍沒有終止的跡象。在今天看來，這一定律描述了一段非凡的、長達(dá)50年之久的輝煌時光。在這段時間里，計算機(jī)、個人電子設(shè)備和傳感器層出不窮。怎樣夸大摩爾定律對人類現(xiàn)代生活的影響都不過分。沒有摩爾定律，現(xiàn)在的我們就不可能坐飛機(jī)出行，打電話溝通，甚至不可能啟動洗碗機(jī)。沒有摩爾定律，我們也不可能發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子或創(chuàng)造出互聯(lián)網(wǎng)。

然而，摩爾定律究竟所言何物?它何以如此成功?它是否論證了不可阻擋的科技發(fā)展趨勢?或者，它是否只是反映了工程學(xué)歷史上的一段獨(dú)特時期?正是在這段時間里，憑借硅晶的特殊屬性和一連串穩(wěn)步的工程創(chuàng)新，我們才獲得了這幾十年的巨大進(jìn)步。

3nm被公認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到摩爾定律的物理極限。摩爾定律問世已有40余年，早在20世紀(jì)60年代初期，一根晶體管要價高達(dá)10美元，隨著科技技術(shù)的突破，晶體管也越來越小。但是萬物都是有極限的，芯片也不例外。一旦芯片的線條寬度達(dá)到納米(10^-9米)數(shù)量級時，就會引發(fā)一系列高熱效應(yīng)。

物聯(lián)網(wǎng)蘊(yùn)含巨大的機(jī)遇，感知信息技術(shù)主要以先進(jìn)傳感器技術(shù)為核心，在其中起到核心作用。隨著多元技術(shù)融合創(chuàng)新的發(fā)展趨勢，“超越摩爾”領(lǐng)域的感知信息技術(shù)面臨著更廣闊的市場空間。在國家相關(guān)部門及上海市科委的指導(dǎo)與關(guān)懷下，由上海微技術(shù)工業(yè)研究院發(fā)起成立了“超越摩爾”產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟。聯(lián)盟聚焦于“超越摩爾”技術(shù)領(lǐng)域，幫助推動核心產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)多元化技術(shù)融合。

聯(lián)盟成員包括傳感器(慣性、聲學(xué)、光學(xué)、壓力、磁、溫濕度、生化等)、模擬器件、射頻器件、光電器件、功率器件、微能源器件、生物醫(yī)療、微流體器件等的研發(fā)與設(shè)計企業(yè)，以及上游的設(shè)計工具、設(shè)備與材料、下游的制造及封裝企業(yè)當(dāng)前半導(dǎo)體已經(jīng)成為全球電子產(chǎn)業(yè)的命脈，但產(chǎn)業(yè)的基本規(guī)律——摩爾定律正逼近物理、技術(shù)和成本的極限，在6月9至11日的2021世界半導(dǎo)體大會暨南京國際半導(dǎo)體博覽會上，產(chǎn)業(yè)界對此進(jìn)行探討，并分化出兩條路徑：延續(xù)摩爾定律或者繞道，但兩者都困難重重。

中國芯片行業(yè)掀起了一股熱潮，在過去一年內(nèi)，中國新注冊成立的芯片企業(yè)就達(dá)到了2萬家以上。越來越多的資本都開始聚焦芯片行業(yè)，再加上臺積電，三星都在沖刺高端5nm，3nm，為了避免落后，必須全力以赴。

而這時候，一些和主流觀點(diǎn)不同的聲音傳了出來。中國工程院院士吳漢明認(rèn)為，相比于7nm芯片，55nm才是關(guān)鍵。55nm在屬于成熟工藝，而7nm是高端制程，據(jù)悉中芯國際曾計劃試產(chǎn)7nm，相信已經(jīng)在7nm取得突破。難道7nm是其次，55nm才是應(yīng)該重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域嗎?

還有對光刻機(jī)設(shè)備，吳漢明也有一番自己的看法。其表示一臺EUV光刻機(jī)的設(shè)備，是5000家供應(yīng)商，包含了美國、英國、日本等國家的頂級技術(shù)，擁有10萬個零部件。靠一個國家地區(qū)去制造是不現(xiàn)實(shí)的。光刻機(jī)的看法和一些人的觀點(diǎn)可能存在分歧。相信大部分認(rèn)為應(yīng)該全力沖刺7nm，5nm。EUV光刻機(jī)就算再難，也要投入所有的生產(chǎn)力量去攻克。

中國科學(xué)院院士毛軍發(fā)在會上表示，芯片現(xiàn)在有兩條路線，一個是延續(xù)摩爾定律，一個是繞道而行。

李珂認(rèn)為，簡單來說，延續(xù)摩爾定律，是在現(xiàn)有的框架下，通過提高設(shè)計、制造、封裝上的技術(shù)，把微電子的性能挖掘用盡。而繞道而行，則是邁過硅、微電子技術(shù)這些框架，利用基礎(chǔ)科學(xué)形成一個顛覆性的技術(shù)體系。

當(dāng)前，半導(dǎo)體大廠正通過工藝、結(jié)構(gòu)、材料的精進(jìn)做成新型器件，使得技術(shù)能夠沿著摩爾定律繼續(xù)往前走，但在這條路上，產(chǎn)業(yè)要克服的技術(shù)和成本難題有很多。

潘曉明表示，僅僅通過增強(qiáng)工藝來延續(xù)摩爾定律是不夠的，還應(yīng)該尋求算力方面的創(chuàng)新。通常制程技術(shù)的演進(jìn)，占性能提升因素的40%，設(shè)計優(yōu)化和平臺優(yōu)化占據(jù)60%。當(dāng)前AMD正通過微架構(gòu)上的創(chuàng)新，爭取在每一代CPU和GPU架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)性能的提升，對于被應(yīng)用到閃存上的3D堆疊技術(shù)，AMD將其應(yīng)用到CPU上，同時，公司還在芯片設(shè)計上尋求突破?！暗?，性能提升幅度是有限的，尤其面對人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等基礎(chǔ)應(yīng)用的爆發(fā)，對算力、性能都要求極高，通用CPU的表現(xiàn)相對受到限制”，潘曉明稱。

5G、AIoT、高性能計算(HPC)、汽車電子等領(lǐng)域推動半導(dǎo)體市場高速增長，也為封裝產(chǎn)業(yè)帶來成長動能。尤其后摩爾時代不再單純依賴工藝提升芯片性能，使異構(gòu)集成需求激增，系統(tǒng)級封裝(SiP)技術(shù)得到廣泛采用。先進(jìn)封裝技術(shù)持續(xù)演進(jìn)，“小芯片(Chiplet)”的發(fā)展理念又被提出，市場新的挑戰(zhàn)也開始出現(xiàn)……

迄今為止，摩爾定律“問世”已然五十載有余，在半導(dǎo)體芯片制程工藝水平飛速提升的同時，人們不禁有些疑問，半導(dǎo)體芯片單位面積可集成的元件數(shù)量最終將達(dá)到多少?摩爾定律會一直存在下去嗎?

其實(shí)，半導(dǎo)體芯片單位面積可集成的元件數(shù)量最終將達(dá)到多少這個問題并沒有明確的答案，但據(jù)專家預(yù)測，半導(dǎo)體芯片制程工藝的物理極限為2-3nm，以此推算，摩爾定律似乎也只能“存活”10年之久。

事實(shí)上，自摩爾定律被推出后，其存亡時間一直是業(yè)界所爭論不休的話題。以如今來說，當(dāng)半導(dǎo)體行業(yè)無數(shù)業(yè)內(nèi)人士發(fā)聲表示，摩爾定律將消亡時，科技界卻爆出一則驚人消息：1nm制程工藝“問世”。這則消息是由勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室傳出的，其實(shí)驗(yàn)室研究人員阿里·加維表示：“此項研究說明，我們的晶體管將不再局限5nm柵極，如果使用適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料，摩爾定律將繼續(xù)有效?！?

從目前來看，似乎摩爾定律的消亡直接取決于半導(dǎo)體芯片制程工藝的物理極限。如果半導(dǎo)體芯片制程工藝未達(dá)極限，那么摩爾定律將一直“活著”。其實(shí)，摩爾定律雖然源于半導(dǎo)體行業(yè)，但并不會終止于半導(dǎo)體行業(yè)，其思想與觀點(diǎn)奠定了所有現(xiàn)代技術(shù)豐富的基礎(chǔ)，其創(chuàng)新的相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)完美的與我們生活融合在一起。未來，它將代表一種趨勢一直存在于物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療以及教育等各個領(lǐng)域。