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摩尔定律如果失灵,芯片行业的下一步又在哪?

导读:1965年,英特尔联合创始人戈登·摩尔在撰写一份报告时发现,每个新芯片上可以容纳的晶体管数量大约是其前身的两倍,每个芯片的生产时间在前一个芯片生产后的18~24个月内。如果这

1965年,英特尔联合创始人戈登·摩尔在撰写一份报告时发现,每个新芯片上可以容纳的晶体管数量大约是其前身的两倍,每个芯片的生产时间在前一个芯片生产后的18~24个月内。如果这种趋势持续下去,计算能力将随着时间的推移呈指数级增长。

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这一规律在行业后续发展中得到了充分验证。根据英特尔公司公布的统计结果,单个芯片上的晶体管数量从1971年4004处理器上的2300个增加到1997年奔腾处理器上的750万个,26年间增加了3200倍。按照“两年翻一倍”的速度,这个增长倍数相当接近理论倍数。

虽然包含了“规律”二字,但其本质只是对摩尔经验的总结,只描述了工业发展某一阶段的规律,其本质不是数学和物理的规律,而是对发展趋势的分析和预测。此外,随着片上集成电路数量的增加,这种趋势很难保持。

业内有人表示,2010年以来,半导体行业的发展速度一直低于摩尔定律的预测。英特尔前首席执行官布莱恩·科兹安尼克也表示,这是“摩尔定律发展史的一部分”。

戈登·摩尔在2005年的一次采访中说:“它不可能永远持续下去。该指数的本质是,它将不可避免地失败,并最终导致灾难。”他还指出,晶体管最终将在原子层面达到小型化的极限。

那么,是什么因素使得摩尔定律不可持续?

量子隧道,微观世界的一个巨大问题

ENIAC是世界上第一台通用计算机,1946年2月14日诞生于宾夕法尼亚大学。Eniac占地150平方米,重30吨。它用了18000个灯管,6000个开关,7000个电阻,10000个电容,500000根导线。

与今天的计算机相比,这个尺寸是一个巨大的东西,计算机尺寸的减小得益于不断增加的集成度。电子管、电阻、电容等。高度集成在电路板上。1978年,不到0.5平方厘米的硅片上组装了14万个晶体管。随后工艺进一步细化,经历了微米时代。目前人类已经制造出5nm芯片。

这里用5nm表示的值是多少?

当晶体管工作时,电流从源极流向漏极,两极之间控制电流的部分称为栅极。栅极的最小宽度(即厚度)表示几纳米的工艺。例如,5纳米工艺表示晶体管栅极的最小宽度为5纳米。

制作芯片时,需要经过一个光刻工序,简单来说就是用紫外线把预先设计好的电路图刻在硅片上。这些电路是电子的专属通道,电路的目的是将这些微小的电子限制在特定的路线上。否则电子会在芯片上“跑来跑去”,对芯片等精密产品是致命的伤害。这就像一辆汽车在高峰时间逃离交通,绕着人行横道行驶。

如果摩尔定律继续下去,这个过程必须下降到3纳米、2纳米甚至1纳米。根据《中国科学技术杂志》2019年第14期发表的文章《半导体器件中量子隧穿效应的定量分析》可知,由硅制成的半导体绝缘层的穿透深度为4.9nm。

也就是说,如果人类想制作比5nm工艺更小的芯片,隧道效应是无法避免的。

量子隧穿效应是指电子等微观粒子虽然势垒高度大于粒子总能量,但能穿透或穿越势垒的量子行为。势垒是指势能高于粒子动能的区域,简单来说就是障碍物。

举个例子,一个小球从高处往斜坡下移动,在前进的路上设置了一个小斜坡(势垒)。在经典力学中,通过这个斜坡的可能性只有两种:一种是有足够的动能克服摩擦力和重力,爬上坡顶;第二,它的动能突然急剧增加,产生的能量像子弹一样冲出膛外,瞬间穿过障碍物。

这两种可能性都需要很大的能量,但是在量子力学中,即使在能量不足的情况下,球也有穿越障碍物的概率。

这是如何实现的?

根据量子论的波粒二象性理论,微观物理粒子会像光波一样产生干涉和衍射(指波遇到障碍物时偏离原直线的物理现象,指水线拍击石头后的传播轨迹。)等波浪特征,形成物质波浪。

波粒二象性是微观粒子的基本性质之一。1924年,法国理论物理学家布罗意提出了“物质波”假说(因此,“物质波”又被称为“德布罗意波”),认为所有物质和光一样,都具有波粒二象性。根据这个假设,电子也有干涉、衍射等波动现象,这一点被后来的电子衍射实验所证实。

综上所述,也就是说,在量子世界中,微观粒子(当然包括电子)既有颗粒状的,也有挥发性的。特殊性使得微观粒子在一定的时间和空间内,其位置和动量是确定的,可以被观测到,而挥发性使得粒子具有波长和频率,这意味着它们在空间和时间上都具有延展性。

那为什么可以用波动跨越势垒呢?

这个问题的答案可以用薛定谔方程来解释,薛定谔方程是奥地利物理学家欧文·薛定谔在1926年提出的。用来描述微观粒子的状态随时间变化的规律,用波函数来描述,薛定谔方程是波函数的微分方程。

方程式太复杂,无法发布。但方程揭示了一个结果,即在量子力学中,粒子以概率方式出现,这是不确定的,粒子出现的位置在波上。

当粒子波撞击势垒时,其能量减小,振幅减小。但当冲击持续多次,势垒接近无限薄时,势垒另一侧的振幅会有一定概率不为零(即波继续存在并向前运动)。在这些剩余的波中,可能有粒子。所以微观粒子有一定概率直接穿墙而过。

芯片中的量子隧穿体现在电子突破电路限制四处流动,容易损坏芯片。因此,如果各大厂商继续将工艺探索到3纳米或更微观的工艺,那么量子隧穿问题就必须得到解决,否则产品的稳定性和成品率将难以保证。

当然,技术不是唯一的影响因素。从经济学的角度来看,制造过程的进度是由市场需求决定的,只有存在市场需求,制造商才会进行投资。过程越艰难,需要投入的资本越多,需要更大的市场来维持。只要市场能扩大,摩尔定律就能维持一段时间。

在后摩尔时代,下一步是什么

然而,随着纳米技术的进一步完善,隧穿效应越来越明显,单纯依靠体积或数量的积累来解决根本问题越来越困难。

为了抢夺工艺更小的芯片,一些厂商开始在数字上做文章。之前一些厂商推出的7nm芯片,发现工艺没有达到7nm,性能也没有优于Intel的10nm芯片。

除了投机取巧,一些务实的科学家提出了新的方案。

传统的晶体管是由硅制成的。然而,自2011年以来,硅晶体管已经接近原子级,达到了物理极限。由于这种物质的天然性质,硅晶体管的运行速度和性能很难有所突破。

因此,科学家们提出用碳纳米管代替硅,硅是一种特殊结构的材料(径向尺寸为纳米级,轴向尺寸为微米级,管两端基本密封),导电速度更快,效率比硅更高。

理论上,同样的材料量,碳纳米管的效率是硅的10倍,运行速度是硅的3倍,能耗只有后者的1/3。

在实际应用中,人类也取得了突破。2013年,斯坦福大学生产了第一台碳纳米管电脑,但它只有178个晶体管。2019年,麻省理工学院的研究团队生产了世界上第一个具有14000个晶体管的通用计算芯片RV16X-NANO。

但这种发展进度还处于“起步阶段”,这种芯片的晶体管沟道长度约为1.5微米,与1985年发布的Intel 80386硅片一致。虽然碳纳米管计算机可能需要几年才能成熟,但这一突破凸显了碳纳米管半导体未来工业化规模生产的可能性。凭借其优异的特性和成熟的技术(碳纳米管芯片的制造工艺与硅片一致),这种材料的爆炸指日可待。

此外,科学家们还提出了自旋电子材料,即利用电子旋转的性能,通过使用“上”或“下”电子的自旋方向来记录二进制数据的材料。在没有任何外部电源的情况下,材料只有通过施加微弱的电压才能保持自身的磁性。

可以看出,这种材料的显著优点在于功耗低,仅通过施加微弱的电压就可以有效降低隧穿效应。然而,这种材料仍处于实验室阶段。

总的来说,目前的硅晶体管还会继续存在一段时间。TSMC领导人表示,摩尔定律将持续到2025年。那么2025年后我们该怎么办呢?对于行业巨头来说,除了继续探索当前材料的极限之外,还应该准备积极开发新的半导体材料和技术。


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