[请教，讨论] 延续摩尔定律：以“功能部件”为设计单元？ （关联：“半电路、半电磁场”集成电路）

摩尔定律： Moore's law

量子计算： quantum computation

集成光路： optical integrated circuits

分子计算机： molecular computer

超导量子计算： superconducting quantum computing

图1  右一是摩尔 Andrew Grove; Robert Noyce; Gordon Moore

(From left to right) Andrew Grove, Robert Noyce, and Gordon Moore, 1978.

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https://cdn.britannica.com/79/173779-050-2FC54270/Andrew-Grove-Robert-Noyce-Gordon-Moore-1978.jpg

https://www.britannica.com/biography/Gordon-Moore

一、“摩尔定律 Moore's law”要点

1.1  《中国大百科全书》，2022-12-23，摩尔定律/Moore's law/

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=130521&Type=bkzyb&SubID=105141

   关于集成电路产业发展趋势预测的一条阶段性的工程经济学规律。

   摩尔定律表述为集成电路上可容纳的晶体管数目每18个月将增加一倍。它最初是由美国G.摩尔在1965年提出的，他研究了1959～1965年集成电路产业的发展数据，并预测在接下来的十年间集成电路上可容纳的晶体管数目每年将会增加一倍。

   自摩尔定律提出后，集成电路产业已按照该规律发展了超过50年，其背后的推动力既有技术因素也有经济和市场因素。集成电路制造工艺和器件技术的持续创新一直是至关重要的推手。按照时间排列，部分具有代表性的发明创造包括双极型器件、金属氧化物半导体器件、互补金属氧化物半导体工艺、钨插塞工艺、沟槽隔离、铜互连、应力硅、高k介质和金属栅及鳍式场效应晶体管器件等。

   工艺的特征尺寸已缩减到10纳米以下，量子力学限制成为阻碍集成电路产业继续按照摩尔定律发展的物理壁垒，而不断攀升的巨额投入则逐渐形成经济壁垒，集成电路产业发展速度放缓已现端倪。壁垒虽高，但创新的源动力更为强劲：隧道场效应晶体管、电子自旋器件及磁电器件等各种基于新原理的器件或可使得摩尔定律继续延续；三维集成等新技术的出现则使得人们可绕开壁垒限制，继续扩展集成电路功能、增加集成度，进入所谓的“超越摩尔定律”时代。

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=130521&Type=bkzyb&SubID=105141

1.2  《中国大百科全书》，2022-12-30，光子模数转换/photonic analog-to-digital conversion

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=108823&Type=bkzyb&SubID=80688

   当采样率超过每秒千兆采样时，由于“电子瓶颈”（包括时钟抖动、比较器模糊、热噪声等）的限制，很难同时提高采样率和量化精度。光子没有静止质量、不带电荷，在处理高速、宽带信号方面具有独特优势。光子模数转换正是利用光子学这一优势来克服电子瓶颈效应的。

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=108823&Type=bkzyb&SubID=80688

1.3  集成光路的瓶颈，物理，2020-05，铌酸锂集成光路：孕育自主产业链的前沿基础研究

https://wuli.iphy.ac.cn/article/doi/10.7693/wl20200501

   2008 年，集成光路领域的先驱之一，伊万·卡米诺夫，在他的一篇回顾性论文中总结了若干阻碍集成光路技术发展的重要瓶颈[2]：

   (1) 集成光路通常同时包含无源和有源光子结构，而制备有源光子器件往往需要采用比硅更难驾驭的二元、三元和四元衬底材料；

   (2) 受衍射规律限制，集成光路中光子器件结构的最小特征尺寸约在光波长量级，而集成电路中电子器件结构的最小特征尺寸受限于远小于光波长的电子的德布罗意波长，这意味着集成光路上的器件密度通常要远低于集成电路中的电子器件密度；

   (3) 集成光路中往往包含多种不同功能的元器件，如激光器、探测器、调制器、多路复用器、衰减器等，而这些器件所依赖的材料特性或加工工艺往往不能相互兼容；

   (4) 面向高容量、低成本的大规模光子集成应用尚未充分被发掘。

https://wuli.iphy.ac.cn/article/doi/10.7693/wl20200501

1.4  2024-01-13，ASML交付2nm制程光刻J，这颗工业皇冠上的明珠，中国何时摘走？

https://zhuanlan.zhihu.com/p/677576070

   2nm来了，终结FinFET

   一直以来，包括7nm、5nm在内的芯片制程都采用的是FinFET晶体管技术。

   ASML交付了史上第一台2nm制程光刻J，这项“耗时10年的开创性科学和系统工程确实值得鞠一躬”。与上一代光刻J相比，新的光刻J把数值孔径（Numerical Aperture,简称NA，越大,代表着光刻J具备更高的分辨能力。）从0.33增加到0.55，使其拥有更强的聚光和分辨能力，能够处理更加精细的尺寸。

   除此之外，芯片到了2nm大小，电子通过芯片中的绝缘层时，会发生隧穿效应。这是一种重要的量子力学现象，用好了可以让电子通过量子隧道效应穿越绝缘层并实现电子在芯片中的高速传输，大大提升性能。用不好就是严重的漏电现象，不仅良品率极低，芯片也无法正常使用。为何一直被荷兰ASML垄断，技术难度堪比登天。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/677576070

1.5  Computer History Museum, 2018-08-15, TOMORROW’S COMPUTERS: MORE MOORE?

https://computerhistory.org/events/tomorrows-computers-more-moore/

   However, computing companies have already reported that the rate of acceleration Moore predicted is slowing. In a 2015 interview with IEEE Spectrum, Moore himself predicted that we are approaching the limits of his observation. Could Moore’s Law truly come to an end and what could this mean for the future of technological innovation?

   【机器翻译】然而，计算公司已经报告称，摩尔预测的加速速度正在放缓。在2015年接受IEEE Spectrum采访时，摩尔本人预测我们正在接近他的观察极限。摩尔定律真的会结束吗？这对技术创新的未来意味着什么？

https://computerhistory.org/events/tomorrows-computers-more-moore/

二、[请教，讨论] 延续摩尔定律：以“功能部件”为设计单元？

2.1  延续摩尔定律：以“功能部件”为设计单元?

   综上，除了“新原理”、“新材料”、“新工艺”等之外，以“功能部件”为设计单元的集成电路（以及其它集成芯片），可能是又一种“新途径”。

   过去人类发明电子管、晶体管，“放大”能力是首要的。

   今天信息时代，“运算”能力是首要的。

   打破过去以晶体管、电阻等为基本设计单元的习惯，改用以与非门、或非门、触发器，以及模拟运算放大器等“功能部件”为设计的优化基本单元，是今后延续摩尔定律的可能新思路。特别是晶体管正在接近其物理极限的当前。

   具体些：

   以集成电路为例，不再以“晶体管”、“电阻”等惯用的元件为优化设计的基本单元，而是扩大到以“功能部件”为优化设计的基本单元。

   亦即，

   直接以“逻辑与非门”、“逻辑触发器”、“模拟运算放大器”等为优化设计的基本单元。也可以说，是“集成电路”内部的又一级“集成电路”。

   这样，在速度、功耗等方面不会变坏；但“等效”的集成度增加了；采用“或”运算，相对意义部分解决场效应管的“短沟道效应”等。原则上，不需要太多的新技术、新工艺。

   打个比方，以“功能部件”为设计单元，有些类似“浸入式光刻技术 immersion lithography technology”。但以“功能部件”为设计单元的思路，应该具有广泛的应用范围。

2023-08-11，多栅极场效应管可能简化“与非门”数字逻辑电路，中国科学院，科学智慧火花

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2023/525324.html

2.2  以“功能部件”为设计单元：已经完成的“与非门”

（1） 中国科学院科学智慧火花，杨正瓴，2023-08-11，多栅极场效应管可能简化“与非门”数字逻辑电路[EB/OL]

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2023/525324.html

（2） 中国科学院科学智慧火花，杨正瓴，2023-12-04，用光做“算术加法”和“逻辑与”运算[EB/OL]

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2023/525819.html

（3） 中国科学院科学智慧火花，杨正瓴，2024-01-09，用“压电效应”做数学运算[EB/OL]

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2024/525372.html

   它们是“半电路、半电磁场”集成电路设计思路里的一些初步的尝试。

   实际上，它们是直接利用“主信号通路”来直接做“逻辑与、或、非”运算。

   这个思路，可以向“自然运算”，即采用电磁运动以外其它信息处理设备中推广。如光学计算。

2.3  傻，你干了什么？

   2024年春节之前，已经想好了这个思路。但是，2024年春季学期，根本没有时间、没有精力来完成采用该思路“数字触发器”的原型具体设计。

   所以，我总是一秒钟也没有。

   2024年暑假，在经典电磁学实验再检验思考中，提出了“单向光速直接测量”的可能方案。

   2024-09-27，《斐索齿轮法与脉冲光：单向光速测量的可能性》在中国科学院“科学智慧火花”贴出，经过了“同行评议”，正式“发表”了。

https://idea.cas.cn/zhhh/sxwlhxytw/wlx/info/2024/551076.html

   其后，近半年有不少精力花在以“功能部件”为设计单元的思考方面。还是急需时间，急需精力。

参考资料：

[1] 2022-12-23，摩尔定律/Moore's law/刘力源，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=130521&Type=bkzyb&SubID=105141

[2] 科普中国，2022-07-29，《大话集成电路35》FinFET之父胡正明：凭一己之力拯救摩尔定律

https://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?business_type=100&classify=2&ar_id=106634

[3] Gordon Earle Moore. Cramming more components onto integrated circuits [J]. Electronics, 1965, 38(8): 114-117   April 19, 1965

http://cva.stanford.edu/classes/cs99s/papers/moore-crammingmorecomponents.pdf

https://hasler.ece.gatech.edu/Published_papers/Technology_overview/gordon_moore_1965_article.pdf

[4] 2022-12-30，光子模数转换/photonic analog-to-digital conversion/陈建平，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=108823&Type=bkzyb&SubID=80688

[5] Computer History Museum, 2018-08-15, TOMORROW’S COMPUTERS: MORE MOORE?

https://computerhistory.org/events/tomorrows-computers-more-moore/

[6] 2023-11-18，[小资料] 场效应晶体管 FET：短沟道效应

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1410158.html

相关链接：

[1] 2024-01-08，[重复就是力量] 多栅极场效应管：献给全人类！

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1417141.html

[3] 2023-12-27，[笔记，请教，原创] “自然运算”有什么创新？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1415592.html

[3] 2024-01-07，[搜集，小资料] 理论计算机模型的名字

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1417022.html

同组博文：

[1] 2025-01-04，电子学（1）：硬件（晶体管、集成电路、等）相关博文目录

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467362.html

[2] 2025-01-04，电子学（2）：“历史、人物”相关博文目录

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467373.html

[3] 2025-01-04，电子学（3）：“教学、备课等”相关博文目录

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467376.html

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