摩尔定律失效后 芯片的未来将会怎样?

  次阅读 作者:智能小宝 来源:互联网 2015-09-29 20:40 我要评论(0)

本文原作者John Markoff,他是《纽约时报》科技板块的专栏作者。随着芯片体积不断缩小,半导体技术也在走向物理学极限,本文主要来探讨这一问题,描述了摩尔定律失效所造成的影响以及计算机科学家们为完成技术突破正在寻找的新技术方法。

摩尔定律失效后 芯片的未来将会怎样?

(斯坦福大学的毕业生Max Shulaker,自2011年以来一直在研究一种全新的半导体电路)

1960年,宾夕法尼亚大学举办了一场影响深远的国际晶体管电路研讨会,一位名为道格拉斯·恩格尔巴特(Douglas Engelbart)的年轻电脑工程师在这次会议上大放异彩,他提出了看起来简单但却振聋发聩的“缩小”概念,对业界产生了重要影响。

恩格尔巴特博士随后还在鼠标的发明和其他重要的计算机科技上立下了汗马功劳。他还从理论上阐明,随着电路尺寸越来越小,元器件速度将会越来越快,能耗和制造成本也会越来越低。而这一切都呈加速发展态势。

而那天坐在观众席上的就有著名的英特尔之父戈登·摩尔(Gordon Moore)。1965年,摩尔成功量化了缩小概念并提出了影响整个计算机时代的摩尔定律。他预测十年之内半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍,计算机的处理能力也将获得大幅提高。

摩尔的观点观点首次发表在1965年4月的《Electronics》杂志上(点击这里查看原文),后来则被世人称为摩尔定律。实际上它不是一条科学定律,而是对新兴的电子产业的观察报告,在随后的半个世纪里,摩尔定律都一直是业界的金科玉律。

在60年代早期,一个宽度仅有棉纤维大小的晶体管,成本都可达到8美元(刨除各种因素后量化为现在的美元)。而半个世纪后,指甲盖大小的芯片便可集成数十亿个晶体管,一美分就能买一堆晶体管。

摩尔定律失效后 芯片的未来将会怎样?

计算机芯片更快更小更强的发展让硅谷迅速成长,并由此改变着世界,从计算机到智能手机,再到我们生活中无处不在的互联网。

不过最近几年,芯片的发展速度有所减慢,摩尔定律开始不准了。大约十年前,芯片的速度就开始停滞不前,新款产品的迭代时间开始变长,晶体管成本也不再下降。

许多专家认为未来芯片的迭代会变得更慢,其间隔可能会达到2.5—3年。若按现在的速度继续发展,到21世纪20年代中期,晶体管的尺寸将仅有单个分子大小,晶体管也将变得非常不稳定,若没有新的技术突破,摩尔定律将会彻底终结。

博通公司首席技术官Henry Samueli表示:“摩尔定律已经头发花白,步履蹒跚了。它还没死,但是时候退休了。”

1995年,摩尔博士就对定律做了修改,将晶体管数量翻番的时间改为了两年。而且他认为摩尔定律能有这么久的生命力已经很了不起了。在摩尔定律五十周年纪念会议上他说道:“最初预计该定律的有效期仅有十年,现在已经超额完成任务了。”

但真正困扰我们的问题是,如果提高速度、降低能耗和价格的路走不通了,未来会出现什么情况呢?

若该情况成真,恐怕受到影响的将不止是计算机产业。英特尔前电子工程师Robert P. Colwell说:“以汽车产业为例,过去三十年来推动其不断创新和进步的也是摩尔定律。”汽车产业的创新(如引擎控制器、防抱死刹车、导航、娱乐和安全系统等)都与价格逐步降低的半导体息息相关。

而永葆青春的硅谷对这种担忧完全免疫。过去三十年来,业界都认为芯片的速度会更快、容量更高、价格也会更低。人们将这个时代定义为互联网时代,甚至许多硅谷人认为我们不久之后就会见证奇点到来,到时计算机的运算处理能力将超过人类大脑。

摩尔定律失效后 芯片的未来将会怎样?

(戈登·摩尔)

图片摄于20世纪60年代末,戈登·摩尔是英特尔公司的创始人之一。1965年,摩尔博士提出著名的摩尔定律。

Colwell说:“在计算机的进化过程中,人们已经形成了思维定势,他们会不假思索地购买最新的硬件,因为他们相信芯片在不断进步。”而我们的半导体技术正在走向物理极限。

物理极限

芯片由金属线和半导体材料制成的晶体管组成,最先进的晶体管和走线的宽度甚至小于可见光的波长,电子开关更恐怖,其尺寸比生物病毒还校

现在的芯片采用光刻工艺制造而成,光刻技术自50年代末发明以来一直在不断进步。而今天,紫外激光技术让光刻工艺步入了一个新的阶段,让生产商可以直接在芯片上通过金属掩膜蚀刻电路,就像画地图一样。

而每一副“地图”就代表一种电路图案模型,之后在对其上的金属和半导体进行沉积或侵蚀操作就完成了光刻过程。随后这些“地图”就可以在量产中被复制到直径约一英寸的抛光晶圆上。

光刻机售价约为每台5000万美元,可以在晶圆表面刻出所需的电路图案。要完成一块芯片的制作,至少要经历50岛曝光工序,金属掩膜更是要与这些图形设计配合得天衣无缝,否则,生产过程中就会小错误不断,导致良品率下降。

“各种半导体工艺我都有所涉猎,但光刻机绝对是其中技术难度最高的。”Alan R. Stivers说道,他1979年起就开始在英特尔摸爬滚打,07年退休,他在英特尔的各代芯片研发中居功至伟。

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