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在摩尔定律被打破后,芯片的未来应该怎么发展?

摘要:本文原作者John Markoff,他是《纽约时报》科技板块的专栏作者。随着芯片体积不断缩小,半导体技术也在走向物理学极限,本文主要来探讨这一问题,描述了摩尔定律失效所造成的影响以及计算机科学家们为完成技术突破正在寻找的新技术方法。


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 (斯坦福大学的毕业生Max Shulaker,自2011年以来一直在研究一种全新的半导体电路)

1960年,宾夕法尼亚大学举办了一场影响深远的国际晶体管电路研讨会,一位名为道格拉斯·恩格尔巴特(Douglas Engelbart)的年轻电脑工程师在这次会议上大放异彩,他提出了看起来简单但却振聋发聩的“缩小”概念,对业界产生了重要影响。

恩格尔巴特博士随后还在鼠标的发明和其他重要的计算机科技上立下了汗马功劳。他还从理论上阐明,随着电路尺寸越来越小,元器件速度将会越来越快,能耗和制造成本也会越来越低。而这一切都呈加速发展态势。

而那天坐在观众席上的就有著名的英特尔之父戈登·摩尔(Gordon Moore)。1965年,摩尔成功量化了缩小概念并提出了影响整个计算机时代的摩尔定律。他预测十年之内半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍,计算机的处理能力也将获得大幅提高。

摩尔的观点观点首次发表在1965年4月的《Electronics》杂志上,后来则被世人称为摩尔定律。实际上它不是一条科学定律,而是对新兴的电子产业的观察报告,在随后的半个世纪里,摩尔定律都一直是业界的金科玉律。

在60年代早期,一个宽度仅有棉纤维大小的晶体管,成本都可达到8美元(刨除各种因素后量化为现在的美元)。而半个世纪后,指甲盖大小的芯片便可集成数十亿个晶体管,一美分就能买一堆晶体管。

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计算机芯片更快更小更强的发展让硅谷迅速成长,并由此改变着世界,从计算机到智能手机,再到我们生活中无处不在的互联网。

不过最近几年,芯片的发展速度有所减慢,摩尔定律开始不准了。大约十年前,芯片的速度就开始停滞不前,新款产品的迭代时间开始变长,晶体管成本也不再下降。

许多专家认为未来芯片的迭代会变得更慢,其间隔可能会达到2.5—3年。若按现在的速度继续发展,到21世纪20年代中期,晶体管的尺寸将仅有单个分子大小,晶体管也将变得非常不稳定,若没有新的技术突破,摩尔定律将会彻底终结。

博通公司首席技术官Henry Samueli表示:“摩尔定律已经头发花白,步履蹒跚了。它还没死,但是时候退休了。”

1995年,摩尔博士就对定律做了修改,将晶体管数量翻番的时间改为了两年。而且他认为摩尔定律能有这么久的生命力已经很了不起了。在摩尔定律五十周年纪念会议上他说道:“最初预计该定律的有效期仅有十年,现在已经超额完成任务了。”

但真正困扰我们的问题是,如果提高速度、降低能耗和价格的路走不通了,未来会出现什么情况呢?

若该情况成真,恐怕受到影响的将不止是计算机产业。英特尔前电子工程师Robert P. Colwell说:“以汽车产业为例,过去三十年来推动其不断创新和进步的也是摩尔定律。”汽车产业的创新(如引擎控制器、防抱死刹车、导航、娱乐和安全系统等)都与价格逐步降低的半导体息息相关。

而永葆青春的硅谷对这种担忧完全免疫。过去三十年来,业界都认为芯片的速度会更快、容量更高、价格也会更低。人们将这个时代定义为互联网时代,甚至许多硅谷人认为我们不久之后就会见证奇点到来,到时计算机的运算处理能力将超过人类大脑。

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(戈登·摩尔)

图片摄于20世纪60年代末,戈登·摩尔是英特尔公司的创始人之一。1965年,摩尔博士提出著名的摩尔定律。

Colwell说:“在计算机的进化过程中,人们已经形成了思维定势,他们会不假思索地购买最新的硬件,因为他们相信芯片在不断进步。”而我们的半导体技术正在走向物理极限。

物理极限

芯片由金属线和半导体材料制成的晶体管组成,最先进的晶体管和走线的宽度甚至小于可见光的波长,电子开关更恐怖,其尺寸比生物病毒还小。

现在的芯片采用光刻工艺制造而成,光刻技术自50年代末发明以来一直在不断进步。而今天,紫外激光技术让光刻工艺步入了一个新的阶段,让生产商可以直接在芯片上通过金属掩膜蚀刻电路,就像画地图一样。

而每一副“地图”就代表一种电路图案模型,之后在对其上的金属和半导体进行沉积或侵蚀操作就完成了光刻过程。随后这些“地图”就可以在量产中被复制到直径约一英寸的抛光晶圆上。

光刻机售价约为每台5000万美元,可以在晶圆表面刻出所需的电路图案。要完成一块芯片的制作,至少要经历50岛曝光工序,金属掩膜更是要与这些图形设计配合得天衣无缝,否则,生产过程中就会小错误不断,导致良品率下降。

“各种半导体工艺我都有所涉猎,但光刻机绝对是其中技术难度最高的。”Alan R. Stivers说道,他1979年起就开始在英特尔摸爬滚打,07年退休,他在英特尔的各代芯片研发中居功至伟。

为了进一步缩小设备尺寸,芯片制造商们费尽了心思,甚至都用上了浸没式光刻机,它可以用水来弯曲光波,从而提高分辨率。另外,他们还采用了多模式光刻技术,这样就可以通过单独的掩膜来锐化边缘并进一步缩小走线和其它元器件的尺寸。

由于元器件和走线的尺寸已经缩小到分子级别,工程师只好在设计中采用计算机模拟技术,该技术需要超强的计算能力。“这简直是在戏耍物理学。”设计自动化软件厂商Mentor Graphics的首席执行官Walden C. Rhines评论说。

如果恩格尔波特的“缩小”理论无以为继,大型芯片厂商该何去何从呢?出路之一就是转向软件或全新的芯片设计,以原有得晶体管数量实现更高的计算性能。说不定由此支撑摩尔定律半个世纪之久的传统模式还会焕发新的生机一段时间。

哈佛大学计算机科学家David M. Brooks说:“如果硅是我们作画的画布,那么工程师们可以做到更多,而不仅仅是缩小晶体管的大小。”

未来特殊材料也有可能取代硅,并在更小的晶体管、新型存储器和光通讯设备中扮演重要角色。另外,我们还有许多全新技术,例如量子计算,如果能真正成熟,就将大幅提高运算速度;而自旋电子学将会把计算技术带入原子级元器件时代。

最近,极紫外光刻技术(EUV)在业界造成了不小的震动。如果该技术获得成功,芯片的元器件便可进一步缩小,其制造过程也能大大简化。不过商用化过程中的各类试验证明该技术暂时还不够成熟。

今年早些时候,荷兰光刻机制造商ASML(英特尔有其股份)表示,它们已经获得了一家美国客户的EUV大单,大多数业内人士认为这个大户就是英特尔。这也就意味着英特尔在制造工艺方面又取得了一个身位的领先优势。

英特尔的高管依然坚持自己的既定策落,未来将继续降低芯片的成本。而其主要竞争对手三星、台积电则认为晶体管价格已经趋于稳定。面对对手的强有力竞争,英特尔依旧信心满满,但它也做不到完全无视物理学。

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(专心实验的Max Shulaker)

因为半导体电路蚀刻过程中使用的材料多数都对紫外线异常敏感,所以必须采用黄色光源。Shulaker正在斯坦福大学对开发新晶圆,该晶圆搭载了全新的电路。

Colwell说:“即使英特尔这样的超级巨头在摩尔定律即将崩塌时也会束手无策。”

今年七月英特尔就表示旗下最新的10纳米(人的头发直径就达到了75000纳米)制程芯片的发布会将推迟到2017年。这打破了英特尔传统的tick-tock战略(即奇数年更新制作工艺,偶数年更新微架构)。

英特尔首席执行官Brian Krzanich在一次分析师电话会议上表示:“最近的两次技术转换已经表明我们的更新周期从两年延长到了两年半。”

没有“顺风车”可搭了

从乐观的角度来看,芯片开发脚步的放缓会带来更加激烈的竞争和创新。处于领先地位的四大芯片厂商英特尔、三星、台积电和GlobalFoundries都拥有自己的制造工厂,而许多小型半导体公司可没这份运气。

哈佛商学院教授David B. Yoffie说:不过技术进步的放缓可能会给这些小厂带来一丝喘息的机会,因为他们可以参与技术较低的市场竞争。

即使晶体管尺寸的缩小无法带来速度和价格上的优势,也会换来功耗的降低。预计超低功耗电脑芯片会在2020年前问世,届时可能电池都不再是必需品了,因为太阳能、振动、无线电波甚至汗液都能为其供电。

这样的芯片会催生什么样的产品呢?现在我们还不得而知。不过设计师们不能再依靠处理器性能的提升了,他们不得不在产品开发中换一种思路。托摩尔定律的福,计算机尺寸变得越来越小,但设计方面并没有什么大的突破,依旧是以处理器为中心,软硬件结合的产品。

“过去设计师们都被惯坏了,懒散得很。”苹果前高管Tony Fadell说道,他曾主导了初代iPod的设计工作,而后出走苹果创立了智能家居制造公司Nest Labs。

物理学家Carver Mead(摩尔定律一词就是他创造出来的)表示:“我们过去基本算是在搭顺风车,神奇的是这策略居然很有效。”

话虽如此,摩尔定律也许还能继续存活十年时间,如果想要更久,我们就只能在创新的道路上奋发图强了。

via nytimes

(from:John Markoff,雷锋网)


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