摩爾定律已經走到盡頭？

來源：内容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自interestingengineering，謝謝。

至少過去十年來，人們就一直在談論摩爾定律的終結以及這将對現代社會産生什麼樣的影響。

自 1947 年發明以來，半導體就持續為現代世界提供動力，而矽晶片上封裝的半導體數量在密度上穩步增長，這使得過去 70 年裡的計算能力呈指數級增長。

然而，半導體是一個實體對象，并且是純粹的實體對象，它像其他所有實體對象一樣受實體定律的限制。這意味着半導體的尺寸存在實體限制。

但在戈登·摩爾（Gordon Moore）就計算能力的增長速度做出他著名的預測時，沒有人真正考慮過納米尺度的半導體。

但随着我們進入 21 世紀的第三個十年，我們對在相同數量的矽中封裝更多半導體的依賴正在突破實體可能的界限，導緻許多人擔心已經讓我們成為習慣的創新步伐可能會在不久的将來戛然而止。

半導體的曆史

半導體是一種半導體，通常具有至少三個可以連接配接到電路的端子。通常，其中一個端子負責控制通過其他兩個端子的電流，這允許在數字電路中快速切換。

在半導體出現之前，這種快速的電路切換是使用熱電子閥完成的，熱電子閥通常被稱為舊式真空管。

這些真空管三極管比半導體大得多，并且需要更多的功率才能運作。與半導體不同，它們不是“固态”元件，這意味着它們在正常運作期間可能會發生故障，因為它們依賴于在管内流動的電子運動來傳導電子電流。

這意味着基于真空管的電子裝置體積大、溫度高且運作成本高，因為它們需要定期維護以更換因某種原因而發生故障的電子管，進而使整個電子機器停止運作。

半導體是在 AT&T 的貝爾實驗室由 John Bardeen 和 Walter Houser Brattain 在 William Shockley 的監督下“發明”的。盡管在此之前，半導體的概念已經存在了大約 20 年——但直到貝爾實驗室完成這項工作後，才建立了半導體的工作模型。Shockley 在 1947 年的設計上改進了 1948 年的雙極結型半導體，正是這種實作在 1950 年代首次投入批量生産。

下一個重大飛躍是矽表面鈍化，它允許矽取代鍺作為半導體的半導體材料，後來又用于內建電路。

1959 年 11 月，貝爾實驗室的 Mohamed Atalla 和 Dawon Kahng 發明了金屬氧化物半導體場效應半導體 (MOSFET) ，它比 Shockley 的雙極結型半導體消耗的能量少得多，而且可擴充性更強。

MOSFET 仍然是當今使用的主要半導體，并且作為一個單獨的單元，是人類曆史上制造最多的器件。由于 MOSFET 可以做得越來越小，越來越多的半導體可以制造成內建電路，進而實作越來越複雜的邏輯操作。

到 1973 年，RCA 研究與工程執行副總裁 William C. Hittinger吹噓“在隻有幾毫米寬的矽‘晶片’上放置了 10,000 多個電子元件。” 今天的半導體密度遠遠超過這些早期的進步數量級。

戈登摩爾無意中發明了摩爾定律

Gordon Moore 并不是一個家喻戶曉的名字，但他的作品幾乎遍布工業化世界的每個家庭和辦公室。盡管他将繼續成為英特爾公司的總裁，并最終成為其名譽主席，但當他在 1965 年描述我們現在所說的摩爾定律時，他并沒有那麼受人尊敬。

作為一名電氣工程師，摩爾曾在貝克曼儀器公司的肖克利半導體實驗室部門工作，然後由肖克利本人上司。但後來， Shockley 的幾名員工，甚至是他的一些門徒，都對 Shockley 的上司層産生不滿，于是他們于 1957 年獨立成立了Fairchild Semiconductor，這是曆史上最有影響力的公司之一。

作為飛兆半導體的研發總監，摩爾是詢問行業現狀的自然人，是以 1965 年《電子》雜志請摩爾預測十年後半導體行業的發展方向。看看 Fairchild 的創新速度，摩爾隻是及時地向前推斷。

自飛兆半導體開始制造半導體以來的幾年中，生産元件的成本下降，元件本身的尺寸每年減少約一半。這使得 Fairchild 每年生産的內建電路數量一樣多，但半導體數量是前一年的兩倍。

“我沒想到這個估計會很精确，”摩爾在 1995 年寫道。“我隻是想傳達一個想法，即這是一項有未來的技術，從長遠來看，它有望做出相當大的貢獻。”

“我認為這對行業來說确實是一項了不起的成就。保持這樣的指數增長 35 年，而密度卻增加了數千，這确實是很難有把握地預測的，”摩爾補充道。

摩爾的預測在大約十年内基本保持穩定，之後摩爾将他的估計修改為每兩年将半導體密度翻一番。“我從未能夠看到未來幾代[半導體]之外的任何細節。然而，令人驚訝的是，一代又一代地不斷湧現，使我們保持在同一個斜坡上，”摩爾寫道。“目前的預測是，這也不會很快停止。” 這在 1995 年可能是正确的，但不久之後摩爾定律很快就會開始突破實體學的界限，它将開始面臨生存挑戰。

為什麼摩爾定律陷入困境？

站在2022 年看摩爾定律，其問題在于半導體的尺寸現在非常小，以至于我們無法做更多的事情來使它們更小。根據台灣半導體制造公司 2024 年的生産路線圖，半導體栅極（電子作為電流流過的半導體部分）的寬度現在接近 2 納米。

一個矽原子的寬度為 0.2 納米，這使得 2 納米的栅極長度大約有 10 個矽原子。在這些尺度上，随着各種量子效應在半導體本身内發揮作用，控制電子的流動變得越來越困難。對于較大的半導體，原子尺度上的晶體變形不會影響電流的整體流動，但是當你隻有大約 10 個原子距離可以使用時，底層原子結構的任何變化都會影響電流通過半導體。最終，半導體正在接近我們所能制造的盡可能小并且仍然可以工作的地步。我們一直在建構和改進矽晶片的方式即将進行最後一次疊代。

摩爾定律還有另一個潛在的陷阱，那就是簡單的經濟學。縮小半導體的成本并沒有像 1960 年代那樣降低。充其量，它在一代又一代地略有下降，但規模不經濟開始影響制造。當對半導體晶片的需求剛起步時，生産晶片的工程能力很昂貴，但至少是可用的。随着從智能手機到衛星再到物聯網的需求猛增，沒有足夠的容量來滿足這種需求，這導緻供應鍊每一步的價格都上漲了。

更重要的是，當半導體的數量增加一倍時，它們産生的熱量也會增加。對于作為最先進處理晶片的最大購買者的許多企業來說，冷卻大型伺服器機房的成本越來越難以承受。随着企業試圖延長 其現有裝置的壽命和性能以節省資金，負責實作摩爾定律的晶片制造商帶來的用于研發的收入減少了——而研發本身也變得更加昂貴。

如果沒有額外的收益，就更難克服進一步縮小半導體的所有實體障礙。是以，即使實體挑戰不會終結摩爾定律，但對更小半導體的需求不足幾乎肯定會終結。

好的，那麼我們在做什麼呢？

嗯，這就是目前價值萬億美元的問題。在過去的 70 年中，我們經曆了前所未有的技術進步，是以在這一點上，幾乎每個工業化社會都将快速的技術進步視為既定條件。

你怎麼突然停下來？那會是什麼感覺？30 年擁有相同的 iPhone 意味着什麼？顯然，我們可以簡單地将其作為一個社會來處理。我們的 DNA 中沒有任何東西要求我們每兩到三年擁有一部新 iPhone，每五年擁有一部全新的電腦。我們隻是已經習慣了這種進步的速度，如果這種速度發生變化，我們也會使自己适應這種情況。

畢竟，人類擁有計算機的時間隻有不到一個世紀，大約是我們作為一個物種在這個星球上存在的時間的 1/250,000。我們一定會找到辦法來度過如此艱巨的艱辛。

或者，我們可以興奮和期待地期待摩爾定律的終結。畢竟，逆境是發明之母。在過去的 70 年裡，我們一直在試圖弄清楚如何越來越多地縮小半導體，而現在這條創新之路已經走到了盡頭。

這絕對不是唯一的前進方向，如果我們不再把所有的努力都放在縮小半導體上，我們可以把精力放在其他領域，發現新的突破，相比之下，半導體的發明可能顯得平庸。在探索這些新的創新途徑之前，我們不會知道，而摩爾定律的終結可能是我們需要的信号，即是時候開始尋找新的進步引擎了。

摩爾定律已死！摩爾定律萬歲！

歸根結底，摩爾定律從一開始就不是一個“定律”，而更像是一個自我實作的願望。我們預計半導體密度每年翻一番，然後每兩年翻一番，是以我們尋找如何完成這項任務。

無論接下來是什麼，無論是量子計算、機器學習和人工智能，甚至是我們甚至還沒有名字的東西，我們都會找到一個新的願望來推動這種創新向前發展。

歸根結底，我們對摩爾定律的着迷從來都不是半導體的密度。大多數聽說過摩爾定律的人甚至無法開始解釋半導體密度的含義，更不用說互鎖半導體如何形成邏輯電路或口袋裡的智能手機是如何工作的（或者甚至是 1970 年代的袖珍電腦） . 對于我們大多數人來說，摩爾定律始終是關于我們對進步的期望，而這在很大程度上取決于我們自己。

摩爾定律可能已經走到了盡頭，但如果我們非常想要它，我們會找到一個新的摩爾定律。

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