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摩尔定律已经接近物理局限了吗? 精选

已有 28714 次阅读 2015-4-27 10:49 |个人分类:读书笔记|系统分类:科研笔记|关键词:摩尔定律,半导体,物理局限| 半导体, 摩尔定律, 物理局限

刚刚过去的4月19日,是家喻户晓的摩尔定律诞生50周年纪念日。电子和信息技术正深入和触摸着我们生活的方方面面。从1958年开始的集成电路发明持续引导着电子革命,在很大程度上科技产业似乎都忠实遵守着这个个称为摩尔定律的东西。1965年,戈登•摩尔(Gordon Moore)从一个化学家转型成电子工程师,注意到从第一块集成电路产生以来,每年芯片上集成的晶体管数量大约以两倍的数量增加。他还大胆预测,这些组件的缩小速度将持续至少十年时间,并于1965年4月19日正式提出。不过,当时并没有人把这个规律当作定律来看,只是认为是对芯片发展规律的总结。甚至他自己都认为:摩尔定律不是定律,只是一个机遇而已。不过,后来的发展却不断验证了这一说法,使其终于享有了“定律”的荣誉,并修正为为集成电路的集成度每18个月翻一番或者说三年翻两番。



摩尔定律提出3年后,英特尔公司诞生了,摩尔也成了这个公司的创始人之一。1971年,英特尔推出第一片微处理器Intel 4004至今,微处理器使用的晶体管数量的增长情况基本上符合摩尔定律。人们还发现,这不光适用于对存储器芯片的描述,也可精确说明处理机能力和磁盘驱动器存储容量的发展。甚至生物学家们在2013年还将摩尔定律应用到了地球生命复杂性的研究上,他们将摩尔定律中的晶体管换成了核苷酸进行数学计算,结果显示生命最早出现在100亿年前,比地球45亿年的预测年龄老得多,也就是说,在太阳系形成之时,可能已经存在着类似细菌的生物体,或者一些存在于银河系古老区域的简单核苷酸,通过彗星、小行星或其他太空碎片来到地球,这一假说被称为有生源说(泛种论),一直是生命科学中的一个重要流派,从摩尔定律中居然也找到了根据。

数十年来,半导体行业的摩尔定律,主要得益于制造工艺上的天才和壮举,但是,基础科学在这方面的重要作用也值得重视,尤其是在今天人们想设法保持这种进步速度的时候更是如此。1940年代,晶体管诞生于美国新泽西州贝尔实验室,就是因为半导体能带理论的发展所促成的。1959年,美国仙童公司首先推出了平面型晶体管,1961年又推出了平面型集成电路,在研磨得很平的硅片上采用一种“光刻”技术来形成半导体电路的元器件,只要“光刻”的精度不断提高,元器件密度也会相应提高,从而具有极大的发展潜力,因此平面工艺被认为是“整个半导体的工业键”,也是摩尔定律问世的技术基础。科学家们在之后持续突破,为这个技术发展的一个重要部分助力,1970年俄罗斯物理学家Nikolay Basov等开发了准分子激光,可用来腐蚀硅片上的微小电路。

1990年代,人们就感觉发展瓶颈要来了,呼吁进一步创新。在此之前,随着晶体管变得越来越小,其速度和能源效率持续增加。但当组件达到约100微米时,小型化出现相反的效果和糟糕的表现。摩尔共同创立的英特尔公司与IBM再次重视通过基础科学寻找提高晶体管性能的材料。后来在凝聚态物理学家们的帮助下,他们知道了当晶格拉伸时硅导电能力可大幅度提高。2000年代,由于应变硅技术的引入,摩尔定律又真的持续了好多年。到目前为止,半导体行业的发展从未停顿下来,晶体管继续缩小,电脑芯片也结合了越来越多的性能和功能。现在最先进的微处理器晶体管只是10-14纳米宽,预计2023年可以到4纳米至6纳米的工艺制程。余热已成为一个限制因素,这导致摩尔定律中有关“计算机时钟速度的指数增长”已经不灵了。耗电芯片也限制了其在移动设备上的应用。随着3D芯片等技术的耗尽,美物理学家称该定律将在10年内崩溃,也就是说,摩尔定律正在接近物理极限,需要真正的物理创新来突破。

氧化铪在只有几个原子厚的时候也具有绝缘作用,引入这种先进材料可保持芯片凉爽。这些努力可能会带来一代或两个以上更小晶体管的产生,也许只有5纳米的大小。但之后想进一步提高性能需要全新的物理学支持。再往前如何走?也许是使用量子隧道效应的晶体管,其中电流传输的是量子自旋而不是电荷。世界各地的实验室都在寻找可大大降低能耗的方法和材料。其中一个方式是利用原子集体“拓扑”属性的固有稳定性,这是古代在传递信息中所采用的结绳编码实践的现代解读。一些研究人员正在尝试最基本的“神经形态”电路架构,这是来自大脑神经网络可塑性的灵感。

一个在物理实验室能完好运转的法则未定能转化为批量生产的途径,而且今天大多数的努力和尝试可能最终将一无所获,这是不可避免的。然而,社会应该有信心,也许在某个地方不知何故,基础科学将提供一种维持这种人类进步的模式。摩尔应该感到自豪是,因为我们到目前为止还没有发现他这个定律出现异常。


参考资料:
[1] Nature 520, 408 (23 April 2015) doi:10.1038/520408a
[2] CPU领域的摩尔定律详解(http://www.pcdog.com/edu/pc-accidence/2005/09/p019297.html)
[3] 摩尔定律(http://baike.sogou.com/v574939.htm


该文的主要内容经整理后发表于《科技导报》2015年33卷第10期125页<摩尔定律已经接近物理极限了吗>

摩尔定律已经接近物理极限了吗.pdf





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