紀(jì)念摩爾定律50周年(下)

摘要：為紀(jì)念摩爾定律發(fā)表50周年，本文介紹了摩爾定律的最初提出，一直作為信息技術(shù)工業(yè)的第一定律，它不僅有力地促進(jìn)了電子信息工業(yè)的快速發(fā)展，甚至深刻地改變了社會(huì)歷程和人類生活。今天摩爾定律正在接近它的終極，文章較詳細(xì)地描述了“后摩爾定律時(shí)代”的多元化技術(shù)發(fā)展。

接上期

摩爾定律的終極

　　摩爾定律簡(jiǎn)單一點(diǎn)地說，就是使電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代快，而且有規(guī)律可循，今天買了一臺(tái)電腦，它的性能是兩年前同等價(jià)格所買電腦的兩倍。摩爾定律表達(dá)的“集成電路集成度提高成本下降”的含義，或可推演而成“性能提高成本下降”的一般概念，那就適用于一切產(chǎn)業(yè)，包括汽車、航空、鋼鐵等等，事實(shí)上，電子業(yè)界的產(chǎn)品、所用半導(dǎo)體、制造設(shè)備和材料等有關(guān)廠商都以摩爾定律作為基準(zhǔn)來制定各自的開發(fā)計(jì)劃。摩爾定律堪稱“魔術(shù)師手拿的棍子”，成為將“科幻世界”轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的原動(dòng)力，技術(shù)不斷進(jìn)步的源泉。

　　摩爾定律的作用如此巨大，受到了人們的無限崇拜，愛之不能釋手，似已不可一日或無。日前有外媒刊載了一篇以“五十年后摩爾定律才開始顛覆一切”為題的文章說：“4月19日是摩爾定律發(fā)表五十周年，在現(xiàn)代，摩爾定律對(duì)工業(yè)和人類社會(huì)的影響超過了其他任何事物”，“摩爾定律已經(jīng)徹底改變了我們的生活”，“更加重要的是，其影響才剛剛開始，盡管摩爾本人曾說，他認(rèn)為他提出的摩爾定律會(huì)在這個(gè)十年結(jié)束時(shí)失效”。

　　另一方面，業(yè)界人士對(duì)摩爾定律何時(shí)終結(jié)的討論已有數(shù)年，也有外媒前幾年就直白地說：“摩爾定律已死?重要嗎?”“業(yè)界持續(xù)討論摩爾定律終結(jié)已經(jīng)有一段時(shí)間了……摩爾定律終結(jié)可能大幅改變目前的產(chǎn)業(yè)……美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃署(DARPA)微系統(tǒng)技術(shù)辦公室總監(jiān)Robert Colwell(甚至)說，摩爾定律終結(jié)將成為美國(guó)國(guó)家安全的威脅……(但是，)我們當(dāng)然不能指望50年來沿用的技術(shù)永遠(yuǎn)不發(fā)生改變地持續(xù)下去”。

　　世界萬物有始必有終，摩爾定律總有失效之時(shí)。摩爾本人坦承：“Something like this can’t continue for ever”他在2005年紀(jì)念摩爾定律40周年時(shí)曾說，再過40年后的情況不可想象，但他預(yù)想摩爾定律還可存在一、二十年。上面說過，推進(jìn)摩爾定律發(fā)展的動(dòng)力是工藝微細(xì)化，1970年半導(dǎo)體的加工尺寸為10μm，經(jīng)過40年到2005年接近50μm，縮小了200多倍，大約每3年發(fā)生一次技術(shù)變革，從0.1um后工藝微細(xì)化速度開始趨緩。大約在進(jìn)入新世紀(jì)之前，工藝微細(xì)化即曾遭遇到3次所謂極限挑戰(zhàn)：第1次是1985年的1μm，第2次是上世紀(jì)90年代的深亞微米(0.5μm以下)，第3次是21世紀(jì)初的0.1μm，但都一一被化解，延續(xù)發(fā)長(zhǎng)到今天的20nm左右。市場(chǎng)調(diào)研公司iSuppli在2009年曾發(fā)表一份報(bào)告指出：“1965年出現(xiàn)的摩爾定律在20nm～18nm工藝之間仍然有效，但達(dá)到18nm之后很可能失效，引起了熱議。究其原因，其一是技術(shù)突破難度加大，其二是成本太高無法回收。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界半導(dǎo)體業(yè)營(yíng)收1960年～1995年的年均增長(zhǎng)率達(dá)17%，而自1995年～2010年間已下降到約6%。

　　到目前為止，英特爾、IBM都仍主要采用22nm成熟工藝，AMD更停留在 28nm多年，業(yè)界正在轉(zhuǎn)向l4nm和10nm工藝。最近外媒報(bào)道，IBM采用EUV(遠(yuǎn)紫外光刻)技術(shù)和硅鍺(SiGe)材料開發(fā)成功了7nm芯片，可容納200億個(gè)晶體管，面積比10nm工藝縮小近一半，《紐約時(shí)報(bào)》最初即以“IBM Announces Computer Chips More Powerful than Any in Existence為題發(fā)表了報(bào)道，有些媒體更直言“IBM打了英特爾的臉”。實(shí)際上，IBM的產(chǎn)品還僅處于實(shí)驗(yàn)室階段，而人們?cè)缭?年前就耳聞?dòng)⑻貭栆验_始了7nm和5nm工藝的研發(fā)，在今年的ISSCC(國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議)上，英特爾高級(jí)研究人員表示將在2018年前推出7nm工藝產(chǎn)品。既便如此，人們都已看到摩爾定律前進(jìn)的腳步在大大放慢。

　　業(yè)界大多人士已承認(rèn)摩爾定律正走向終極!2014年在加州召開的“IEEE Technology Time Machine(TTM)2014”(2014年美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)未來技術(shù)設(shè)備)研討會(huì)上，與會(huì)專家學(xué)者認(rèn)為，摩爾定律不一定已達(dá)終點(diǎn)，但正接近終點(diǎn)?；谀柖傻母咚偌夹g(shù)發(fā)展已不可能，今后必須推翻舊傳統(tǒng)，探索新技術(shù)，尋求新機(jī)遇。預(yù)計(jì)今后20年內(nèi)將引入“后CMOS”的新器件和非諾伊曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，值得注意的技術(shù)有量子計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)、碳納米管及仿(人)腦技術(shù)等。就在這個(gè)會(huì)上，摩爾本人也說：“我認(rèn)為摩爾定律將在下個(gè)10年左右告終”。博通公司首席技術(shù)官(CTO)Henry Samueli在紀(jì)念以太網(wǎng)誕生40周年的大會(huì)上對(duì)半導(dǎo)體業(yè)的前景作了展望，他說：“摩爾定律日漸接近終點(diǎn)，所剩下的時(shí)間大約也就15年了。標(biāo)準(zhǔn)的硅CMOS晶體管的微細(xì)化停滯在5nm上下，再后的進(jìn)步怕已難以見到?！?/p>

　　就在筆者審閱本文時(shí)，《金融時(shí)報(bào)》7月中旬以《英特爾CEO：摩爾定律即將終結(jié)》為題的報(bào)道指出，摩爾此前曾表示：“這一定律能持續(xù)正確如此長(zhǎng)的時(shí)間令人驚訝。最初的預(yù)言只關(guān)注了10年，我當(dāng)時(shí)認(rèn)為這已經(jīng)是一段漫長(zhǎng)的時(shí)間。然而，這樣的定律持續(xù)了50年，這令人驚嘆。但未來某天，這一定律將會(huì)失效?！爆F(xiàn)任Intel公司CEO Brian Krzanich 也警告稱，摩爾定律即將走向終結(jié)!可見最堅(jiān)定守護(hù)摩爾定律的Intel公司面對(duì)現(xiàn)實(shí)，終于改口了。且公司有實(shí)際行動(dòng)，它于6月初以167億美元巨資收購(gòu)了生產(chǎn)FPGA的巨擘Altera公司，F(xiàn)PGA(現(xiàn)場(chǎng)可編輯門陣列)是可作為類似GPU(圖形處理器)一樣的加速技術(shù)整合進(jìn)CPU的，也就是將CPU和FPGA整合在一起了。原因無非是摩爾定律失速，CPU的頻率已登頂，集成度已很難繼續(xù)提高。一句話，如若單單依靠摩爾定律，產(chǎn)品性能已無法提高，不得不說這是公司看到“后摩爾定律”時(shí)代后的一項(xiàng)重大應(yīng)對(duì)措施。

　　《日經(jīng)電子學(xué)》近期也以《再見吧!摩爾定律》為題來紀(jì)念其50周年，文章說：(摩爾定律)作為電子產(chǎn)業(yè)持續(xù)成長(zhǎng)的基礎(chǔ)，如今已近黃昏，今后沿著摩爾定律提高集成度之路已走到盡頭的半導(dǎo)體產(chǎn)品將漸漸發(fā)展多樣化。但業(yè)界并不悲觀，認(rèn)為未來將迎來“創(chuàng)新的時(shí)代!”“既不能再仰賴器件尺寸的縮小，那就開始多姿多采的技術(shù)進(jìn)步吧!”后摩爾定律時(shí)代足以引起業(yè)界極度注目的技術(shù)大致有：

　　3D化

　　走在微細(xì)化工藝最前列的NAND閃存，目前平面NAND大公司的加工工藝已達(dá)1X的水平，普遍認(rèn)為10nm將達(dá)于終極(圖4)，以后則將走3D化道路。3D化NAND的概念是東芝公司于2007年提出的，量產(chǎn)則是三星公司率先施行的，2013年大量生產(chǎn)2位/單位的128Gb產(chǎn)品，2015年發(fā)表了3位/單元的128Gb產(chǎn)品，其他公司將于2015年～2016年相繼開始量產(chǎn)，成為近期主流產(chǎn)品技術(shù)。