风光不再：摩尔定律时代即将离去

科技行业日新月异，变幻莫测，但其背后有一双看不见的手，准确预测着科技行业的发展速度，这就是大名鼎鼎的“摩尔定律”。最近各大媒体疯狂报道摩尔定律吹响了死亡的号角，下面我们就来对这个具有50多载历史的“摩尔定律”刨根问底刨个稀烂!

摩尔定律初显现

1965年，Intel联合创始人戈登·摩尔提出了他著名的理论：半导体芯片上可集成的元器件的数目每12个月便会增加一倍。也就是说，同样规格的芯片的成本，每12个月便会降低一半。那年摩尔36岁，时任仙童半导体工程师。直到10年后的1975年，他对自己的理论进行修改，将每一年增加一倍修改成了每两年增加一倍，并延续至今。

“The number of transistors incorporated in a chip will approximately double every 24months.”

半导体芯片上的晶体管数量，每两年会增长一倍。

摩尔定律究竟有多厉害?

你手里的智能手机恐怕比上个世纪 50 年代的超级计算机还要强出不知道多少倍，这都要得益于处理器工艺技术的不断提升，以至于指甲盖大小的硅板上能够放置的晶体管数量已经多到无法想象。据计算，目前人类能够达到的最强处理能力已经较上个世纪计算机被发明的时候提高兆亿倍。

摩尔定律两大【技术瓶颈】难如登天

半个世纪以来，处理器产品发展速率与摩尔定律遥相呼应，整个发展过程都显得那么有条不紊，直到梦醒。

践行摩尔定律中遇到的第一个技术瓶颈：发热的难题

在90纳米时代，应变硅技术问世。在45纳米时代，一种能提高晶体管电容的新材料推出。在22纳米时代，三栅极晶体管使芯片性能变得更强大。然而到了二十一世纪后，工艺制程发展到了90nm以下时，这种增益效应就开始不再明显。制造商们发现，电子在硅电路中跑得愈快，芯片就愈热。

如果芯片按照摩尔定律的路线图越来越小，那么电子的行为会开始变得不稳定：经典物理学定律在这里将不再适用，并会被不稳定性原理所取代。你或许有能力把芯片做到这么小，但它们是否还能正常工作就说不定了。

践行摩尔定律中遇到的第二个技术瓶颈：计算的移动化。

与第一个技术瓶颈不同的是这一问题是人们始料未及的，现在日常的“计算”工作已经越来越多的交由智能手机和平板电脑来完成。人们对于这些移动设备的需求完全不同于传统的PC和笔记本电脑，移动化计算已经成为了一种趋势。

在典型的智能手机应用场景中，芯片不仅要为语音通话、Wifi、蓝牙以及GPS等功能随时待命，还要对触摸感应、距离感应、加速度测算、磁场感应甚至指纹识别等功能提供全天候支持。所以智能手机必须有一套专用的电源管理系统来负责协调电路功耗和用户体验。

那么问题来了，芯片制造商所要面对的是：这种特殊需求将会破坏摩尔定律自我强化的发展周期。

对于许多的专用电路来说，设计仍然是一项需要耗费大量时间和人力的传统工作。换句话说，当下困扰芯片商的难题不是技术，而是成本。

芯片工艺的每次提升，都意味着制造商们要制造出更加精确的光刻机。以现在的经济水平来看，建立一个新的生产线通常都需要数十亿美元，大部分企业都无法承担这么多的成本投入，而移动设备市场的碎片化问题则进一步加剧了资金回流的难度。

种种这些技术难题都意味着以摩尔定律为驱动的路线图走到了尽头，即使是摩尔本人，也表示摩尔定律或将于10年内终陨。

路线图一步步走向冷宫

诚然，在过去的10年里，成本的不断攀升已经导致芯片业内部出现了合并潮。当今世界上大部分的生产线现在都已经落到了诸如Intel、三星、台积电等企业的手里。这些芯片制造业巨头早已与设备制造商们形成了紧密的统一战线，路线图存在的意义已经被大打折扣。

虽然SRC作为美国行业研究机构，是路线图的长期支持者，但SRC的副总裁Steven Hillenius也表示：

“大约在三年前，SRC就已经不再对路线图的制定提供支持了，因为内部的成员公司已经看不到它存在的意义。"

“超摩尔定律”后来居上

大自然的进化规则告诉我们“适者生存，不适者淘汰”。2014年半导体行业公布了接下来一段时间的研发路线计划，这是组织首次不以摩尔定律为基调所制定的路线图。作为替代，此次将会遵循所谓的“超摩尔战略”(the More than Moore strategy):不再以芯片技术驱动应用发展，而是以应用需求为驱动力。

半导体行业的新路线图“出炉”

2014年，国际半导体技术路线图组织决定，下一份路线图将不再依照摩尔定律。

例如，智能手机和物联网的发展意味着，多样化的传感器和低功耗处理器的重要性将大幅提升。用于这些设备的高集成度芯片不仅需要逻辑处理和缓存模块，还需要内存和电源管理模块，用于GPS、移动网络和WiFi网络的模拟器件，甚至陀螺仪和加速计等MEMS器件。

此外，新的路线图还将关注新技术，而不仅是当前的硅CMOS工艺。英特尔已宣布，在达到7纳米工艺之后，将不再使用硅材料。锑化铟和铟镓砷化合物都有着不错的前景。与硅相比，这些材料能带来更快的开关速度，而功耗也较低。碳材料，无论是碳纳米管还是石墨烯，也在继续被业内研究。

在许多备选材料中，二维材料“石墨烯”被看好。这种自旋电子材料通过翻转电子自旋来计算，而不是通过移动电子。这种“毫伏特”量级(操作电压比“伏特”量级的晶体管要低得多)的电子开关比硅材料开关的速度更快，而且发热量更小。不幸的是这种电子材料还未走出实验室。

石墨烯的扫描探针显微镜图像

当然，新的路线图并没有完全放弃原本的几何缩减方式。除了三栅极晶体管，也许到2020年左右，会出现采用栅完全包围的晶体管和纳米线。到21世纪20年代中期可能会有整体三维芯片，一块硅上多层组件就构成了一个单芯片。

革命尚未成功 同志仍需努力

日前，SRC联合SIC一起，开始致力于建立一项更为长效而基础的研究议程，并希望能够在白宫去年7月推出的“国家战略计算计划”中获得联邦的资金支持。

这项议程是于去年9月提出的，其中包含5份报告，报告中描述了未来可能会面临的研究难题：

首当其冲的就是能效问题——特别是对于由嵌入式智能传感器组成的“物联网”，未来将需要在没有电池的情况下，将周围环境中的热能和动能转化为电力;

另一个问题就是可连接性——未来，数十亿台设备间进行通信和云计算所需要的带宽是难以想象的，而目前可以预见的一种解决方案就是利用现今尚无法企及的红外光谱深处的太赫兹波段;

第三个至关重要的问题就是安全性——未来我们将需要构建更为牢固的安全机制来防范网络攻击和数据盗窃。

即使只是上文中列出的这三点就已经够研究人员忙上几年了。

摩尔定律你永远活在我们心中

“虽然从字面意思上来看，晶体管数量的指数增长的确已经无以为继，摩尔定律的时代即将终结。但从消费者的角度来看，其实摩尔定律只是在说芯片对于用户的价值每两年就会翻一番。而从这一角度来看，只要行业内能够继续向设备增加新的功能，摩尔定律就不会死亡。”Intel从事先进微处理器研究的主管Shekhar Borkar表示。

英特尔销售与市场事业部副总裁兼英特尔中国区总经理夏乐蓓认为，摩尔定律不止一种解读方法。它可以解读为一种概念，代表着创新的节奏或速度，就像半导体技术路线图所阐释的那样，也可以从行业的实际发展来加以理解，例如整个制造环节仍然遵循着摩尔定律的规律演进。摩尔定律更像是一个信仰系统。这个信仰催促着科技企业不断超越自我，并取得新的突破。就信仰而言，摩尔定律将永久不衰。

“因此，在我们看来，无论从字面意义或行业实际解读来看，摩尔定律仍然是有意义的，你将永远活在我们心中”