摩尔定律或在2021终结

　　50年前，英特尔创始人之一戈登·摩尔提出了摩尔定律：集成电路上可容纳的电晶体（晶体管）数目，约每隔24个月便会增加一倍。最近几十年，这个定律堪称科技界的铁律，无论是半导体制造商还是芯片设计商，几乎都在按照这个规律发展。

　　但是，最近两年，以英特尔为首的半导体厂商开始放慢制程的升级迭代之路，而人们也不得不开始讨论摩尔定律的预言是否已经失效，半导体厂商又该如何面对这样的挑战？

　　从最近一期的半导体国际技术路线图上可以看出，到2021年，微处理器内部的晶体管的尺寸缩小的进度不是放缓，而是将停止缩小，这也就意味着推动半导体行业变革的摩尔定律将正式退出历史舞台。

　　不需要复杂的逻辑推理就可知道： 芯片上元器件的几何尺寸总不可能无限制地缩小下去，这就意味着，总有一天，芯片单位面积上可集成的元器件数量会达到极限。问题只是这一极限是多少，以及何时达到这一极限。业界已有专家预计，芯片性能的增长速度将在今后几年趋缓。其制约因素一是技术，二是经济。

　　技木的角度上看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试变得十分艰难。一旦芯片上线条的宽度达到纳米数量级时，相当于只有几个分子的大小，这中情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，摩尔定律也就要走到它的尽头了。

　　“ 经济的角度上看，正如上述摩尔第二定律所述，目前是20亿~30亿美元就可以建一座芯片厂，而线条尺寸缩小到0.1微米时将猛增至100亿美元，比一座核电站投资还大。看来摩尔定律要再维持十年的寿命，也决非易事。

　　2007年1月，英特尔宣布在半导体微架构上取得了40年来的最大突破，公司采用了一种叫做铪的金属和金属栅，可以使摩尔定律继续有效。9月，79岁高龄的摩尔先生在英特尔信息技术峰会（IDF） 上表示，下个10年或15年摩尔定律将不可避免地退出历史舞台。

　　实际上，过去几十年半导体行业也没有和摩尔定律完全保持一致的节奏。

　　从1965年到1975年，芯片上的晶体管数量几乎每年都会翻番；然而在1975年之后，由于技术的限制，周期变为了两年；到上世纪90年代末，又回到了正规。

　　而现在半导体厂商又面临了什么样的困难？

　　目前，半导体制造商最先进的半导体制程已经达到了14nm，正在朝着10nm前进，但这几乎已经无限接近硅材料的物理极限。有人会说，未来还会有7nm和5nm，但事实真会如此吗？

　　如果继续按照摩尔定律来研发更高级的工艺制程，会面临物理和经济（投入产出比）两方面的挑战。

　　摩尔定律本身是一条物理定律，但是在硅晶体管的尺寸接近10nm的时候，栅氧化层的厚度只相当于十个原子的厚度。这就会极易产生量子效应，并且导致晶体管的特性难以控制，例如漏电问题。对半导体厂商而言，这是一堵穿不透的墙。

　　除此之外，因为晶体管尺寸的缩小，芯片制造成本在逐渐增加，长期以往每颗芯片的毛利率甚至还会低于制造的成本。很明显，未来大多数厂商会因投入产出比而选择更具商业价值的制程。

　　即便半导体制造商无法进一步缩小晶体管的尺寸，但这并不代表半导体行业就此停滞不前，业内人士认为有两种方案值得尝试。

　　不少业内人士表示，虽然晶体管的尺寸无法缩小，但未来能够取而代之的是通过堆叠技术来提升晶体管的密度，这一技术成熟后就可同时保证经济和技术效益。

　　目前，这样的3D技术事实上已经在存储芯片上得到了应用，例如英特尔推出的3DxPoint闪存技术，它在寿命、存储速度以及容量密度上都要比传统闪存高几个level，另外，三星和闪迪等存储厂商也已经在这一领域推出了各自的产品。

　　另外，业界还认为我们可以寻找硅材料的替代品，例如利用新型纳米材料可能做出接近分子大小的电路。为此，国内外已经在着手研究这些新的材料。

　　这众多可能成为硅的继任者之中，石墨烯的呼声无疑是最高的，任正非就曾公开表示，石墨烯时代颠覆硅时代。

　　石墨烯之所以能受到业界的青睐，是因为它比硅材料有过之而无不及，它是世界上最薄、导电性能最强的材料。石墨烯只有一个原子厚，并且具有强度高、导热和导电效高等优异特性，当石墨烯与与其他元素掺杂或复合也可具有半导体特性。

　　不过制约石墨烯商业化的是，这种材料目前仍然无法量产，而且石墨烯制备成本也一直居高不下，制造一克石墨烯材料比黄金还要贵出不少。