摩尔定律面临的两个问题

[导读]戈登·摩尔在1965年提出摩尔定律时，其内容为半导体芯片上集成的晶体管数量将每年增加一倍，1975年，他又根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正，把"每年增加一倍"改为了"每18到24个月增加一倍"。摩尔定律发展至今已有50多年，在这50多年间，不断有人唱衰，甚至有人提出“摩尔...

戈登·摩尔在1965年提出摩尔定律时，其内容为半导体芯片上集成的晶体管数量将每年增加一倍，1975年，他又根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正，把"每年增加一倍"改为了"每18到24个月增加一倍"。摩尔定律发展至今已有50多年，在这50多年间，不断有人唱衰，甚至有人提出“摩尔定律已死”的观点。今天，我们从两个方面看待摩尔定律终结的原因，一个是从微观角度(micro-view)，一个是从宏观角度(macro-view)，我们可以称之为：摩尔定律面临的两个问题。
微观问题 Micro-Problem

虽然芯片制造商已经使用了各种手段来跟上摩尔定律的步伐，但还是无法避免摩尔定律的加倍效应已经开始放缓的事实，不断地缩小芯片的尺寸总会有物理极限：现在最新的制程工艺特征尺寸仅为7nm，而硅原子的半径为0.117nm，也就是说，在7nm工艺的芯片中的晶体管的特征尺寸仅为不到30个硅原子组成（因为原子空间利用率的原因，实际上要更少，详见后面分析），随着特征尺寸的进一步减少，其数量还会进一步减少。

在同等面积大小的区域里，随着集成越来越多的晶体管电路，漏电流增加、散热问题大、时钟频率增长减慢等问题难以解决。

1）特征尺寸是晶体管结构中的最小尺寸吗？

我们先来看晶体管的微观结构，下图是目前最主流的FinFET（FinField-EffectTransisto）晶体管的结构。特征尺寸指的是栅极的宽度，目前主流芯片最小为7nm。

对比下面的显微图像，我们也可以判断出其特征尺寸为下图红线所标识。

从上面两张图我们可以看出，其实特征尺寸并非是晶体管里的最小尺寸，Fin (鳍) 的宽度至少是小于特征尺寸的，因此特征尺寸为7nm的晶体管中，所需要制造的最小尺寸其实是小于7nm的。

而到了下一代堆叠纳米片的晶体管结构，这种趋势则更加明显，在特征尺寸（栅极宽度）为3nm的晶体管中，其最小需要制造的尺寸（例如纳米片的厚度）则要远远小于3纳米，甚至要小于1nm。

小于1nm会遇到什么问题呢？我们需要了解一下硅的原子结构。

2）硅原子的物理结构

下面，我们来了解一下硅原子的物理结构，下图为硅的晶胞结构：

晶胞是反映晶体对称性质的最小单元，在由硅原子构成的一个面心立方体（8个顶点 6个面各有一个硅原子）的晶胞内，另外还有四个硅原子，分别位于四个空间对角线的 1／4处，平均到每一个硅晶胞中的原子数为8 (8*1/8 6*1/2 4=8) 。硅的晶胞边长为a（晶格常数），在300K时，a=5.4305Å （0.543nm），1nm相当于不到2a，也就是说在1nm的宽度内两个晶胞都安放不下。硅原子空间利用率：硅原子体积/单位原子在晶胞中占有的体积，硅晶体空间利用率约为34%，即晶胞空间内1/3为原子，2/3为空隙，如下图所示。

也就是说，我们看到的硅已经不再是平滑连续的，而是由离散的原子团组成的。

此时，在连续系统中适用的定律和法则很多都会失效，晶体管也就不能正常工作了。因此，从微观角度看，摩尔定律是不可持续的。

宏观问题 Macro-Problem
摩尔定律，无论是1965年提出时的：“半导体芯片上集成的晶体管数量将每年增加一倍”，还是1975年修正的：“每18到24个月增加一倍”，从数学意义上来看，其曲线都是指数增长的。假设某一个时间点上，芯片上集成的晶体管数量为X，则18月后为2X，2个18月后为4X，n个18月后为2^n*X，那么从现在开始，我们就可以估算人类生产的晶体管数量：Y=X(1 2 4 8... 2^n)，给公式两边同时乘以(2-1)则可得Y=X(2^(n 1)-1)。具体请参看：地球上的硅能生产多少只晶体管？从公式1 2 4 8... 2^n=2^(n 1)-1我们可以看出，无论以前生产的数量有多少，到了下一个周期，一个周期内生产（消耗）数量将为以前所有周期生产的数量的总和还要多1。从另外一个角度，只要晶体管数量的增长继续遵循指数曲线，那么，未来的每一代人回过头来看时，过去的时代都会是几乎没有进步的时代。这其实就是一个悖论。

（图片来源于“指数发展曲线”的真正意义）

宇宙中的原子数量才有10^80个，如果晶体管的数量按照指数曲线增长，仅仅需要一个半世纪（150多年），宇宙中的原子都要消耗殆尽了，这显然是不可能的！（需要读者注意的是，本文在估算的时候，做了一些前提假设，实际的数值会和前提条件的变化有关，但不会发生数量级上的变化）