1965年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)在撰寫報(bào)告時(shí)發(fā)現(xiàn)，每個(gè)新的芯片上可容納的晶體管數(shù)目大體是其前代數(shù)量的兩倍，每個(gè)芯片產(chǎn)生的時(shí)間都是在前一個(gè)芯片產(chǎn)生后的18~24個(gè)月內(nèi)，如果這個(gè)趨勢(shì)繼續(xù)，計(jì)算能力相對(duì)于時(shí)間周期將呈指數(shù)式的上升。

這一定律在行業(yè)后續(xù)發(fā)展中得到充分驗(yàn)證，據(jù)Intel公司公布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，單個(gè)芯片上的晶體管數(shù)目，從1971年4004處理器上的2300個(gè)，增長(zhǎng)到1997年奔騰處理器上的750萬個(gè)，26年內(nèi)增加了3200倍。如果按“每?jī)赡攴环钡乃俣龋@一增長(zhǎng)倍數(shù)與理論倍數(shù)也算相當(dāng)接近。

雖然其包含了“定律”二字，但其本質(zhì)只是摩爾的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，描述的只是產(chǎn)業(yè)發(fā)展某個(gè)階段的規(guī)律，其本質(zhì)并非數(shù)學(xué)、物理定律，而是對(duì)發(fā)展趨勢(shì)的一種分析預(yù)測(cè)。此外，隨著芯片上集成電路數(shù)目基數(shù)的不斷擴(kuò)大，這一趨勢(shì)也很難繼續(xù)維持。

有行業(yè)人士表示，自2010年左右以來，半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展速度低于摩爾定律所預(yù)測(cè)的速度。英特爾前首席執(zhí)行官布萊恩·科贊尼奇(Brian Krzanich)也說這是“摩爾定律發(fā)展史的一部分”。

戈登·摩爾在2005年的一次采訪中表示：“它不可能永遠(yuǎn)持續(xù)下去。指數(shù)的本質(zhì)是其必然失效并最終導(dǎo)致災(zāi)難?！?他還指出，晶體管最終將在原子水平上達(dá)到微型化的極限。

那么，是什么因素致使摩爾定律難以為繼呢?

量子遂穿，微觀世界的巨大難題

世界上第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)“埃尼阿克”(ENIAC)于1946年2月14日在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生，埃尼阿克占地面積150平方米，總重量30噸，使用了18000只電子管，6000個(gè)開關(guān)，7000只電阻，10000只電容，50萬條線。

這樣的體積與今天的電腦相比，堪稱龐然大物，電腦體積的縮小得益于不斷提高的集成度。電子管、電阻、電容等被高度集成在電板上。1978年，人們?cè)诓蛔?.5平方厘米的硅片上集成了14萬個(gè)晶體管。隨后，工藝進(jìn)一步精進(jìn)，經(jīng)歷了微米時(shí)代，人類目前已經(jīng)制造出了5nm的芯片。

這里的5nm代表的是什么數(shù)值呢?

晶體管在工作時(shí)，電流從源級(jí)(Source)流入漏級(jí)(Drain)，這兩極之間用于控制電流的部件叫做柵極(Gate)。其中柵極的最小寬度(也就是厚度)是多少，就表示是幾納米的工藝，如5nm工藝表示晶體管的柵極最小寬度為5nm。

在制造芯片時(shí)，需要經(jīng)歷光刻程序，簡(jiǎn)單來說就是用紫外線將事先設(shè)計(jì)好的電路圖刻在硅片上。這些電路就是電子的專屬通道，電路的用途就是將這些微小的電子限制特定路線上。否則電子就會(huì)在芯片上“四處亂竄”，這對(duì)于芯片這種精密產(chǎn)品來說是致命的傷害。這就好比高峰時(shí)期一輛車脫離車流，在人行橫道上亂竄一樣。

想要使摩爾定律繼續(xù)，那么工藝就必須下探到3nm、2nm甚至1nm。根據(jù)《中國(guó)科技縱橫》2019年第14其刊登的文章“半導(dǎo)體器件中量子遂穿效應(yīng)的定量分析”一文得知，用硅制作的半導(dǎo)體絕緣層的穿透深度為4.9nm。

也就是說，如果人類要制造比5nm制程更小的芯片，那么遂穿效應(yīng)就無法避免。

量子遂穿效應(yīng)指的是像電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢(shì)壘的量子行為，盡管位勢(shì)壘的高度大于粒子的總能量。其中勢(shì)壘是指勢(shì)能比粒子動(dòng)能還要高的一個(gè)區(qū)域，簡(jiǎn)單來說就是障礙。

舉例來說，一顆小球從高處順坡向下運(yùn)動(dòng)，在其前進(jìn)路上設(shè)置一個(gè)小坡(勢(shì)壘)。在經(jīng)典力學(xué)中，如果要通過這道坡只有兩種可能：一是具備足夠的動(dòng)能，克服摩擦力和重力，從頂部翻越過去;二是其動(dòng)能突然劇增，產(chǎn)生出如子彈出膛那樣的能量，瞬間穿過障礙。

這兩種可能性對(duì)于能量要求都很大，但是在量子力學(xué)中，即便在自身能量不足的情況下，小球也有概率穿越障礙。

這是怎么實(shí)現(xiàn)的呢?

根據(jù)量子理論的波粒二象性學(xué)說，微觀實(shí)物粒子會(huì)像光波水波一樣，具有干涉、衍射(指波遇到障礙物時(shí)偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象，參考水紋拍打在石頭后的傳播軌跡。)等波動(dòng)特征，形成物質(zhì)波。

波粒二象性是微觀粒子的基本屬性之一。1924年，法國(guó)理論物理學(xué)家德布羅意(Broglie)提出“物質(zhì)波”假說(因此“物質(zhì)波”也稱“德布羅意波”)，認(rèn)為和光一樣，一切物質(zhì)都具有波粒二象性。根據(jù)這一假說，電子也會(huì)具有干涉和衍射等波動(dòng)現(xiàn)象，這被后來的電子衍射試驗(yàn)所證實(shí)。

總結(jié)一下，就是說在量子世界中，微觀粒子(當(dāng)然包括電子)既有粒子性，又有波動(dòng)性。粒子性使微觀粒子可以被觀測(cè)到其在某時(shí)間和空間中的明確位置與動(dòng)量，波動(dòng)性使粒子具有波長(zhǎng)與頻率，這意味著它在空間方面與時(shí)間方面都具有延伸性。

那為什么有了波動(dòng)性就能穿越勢(shì)壘?

這個(gè)問題的答案可以用薛定諤方程來解釋，這是由奧地利物理學(xué)家埃爾溫.薛定諤(Erwin Schrodinger)在1926年時(shí)提出的，用來描述微觀粒子的狀態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律，該變化狀態(tài)由波函數(shù)來描寫，薛定諤方程即是波函數(shù)的微分方程。

方程太復(fù)雜，就不放出來了。但是該方程揭示了一個(gè)結(jié)果，那就是在量子力學(xué)中，粒子以概率的方式出現(xiàn)，具有不確定性，而粒子出現(xiàn)的位置就在波上。

當(dāng)粒子波撞擊到勢(shì)壘時(shí)，其能量減少，振幅下降，但是在持續(xù)多次的撞擊和勢(shì)壘接近無限薄的情況下，在“勢(shì)壘”另一側(cè)的振幅會(huì)有一定的概率不為零(也就是波還繼續(xù)存在并向前運(yùn)動(dòng))。在這些殘存的波中，就有可能存在粒子。因此，微觀粒子有一定的概率直接“穿墻而過”。

芯片中的量子遂穿具體體現(xiàn)在電子突破電路限制，四處流動(dòng)，很容易對(duì)芯片造成破壞。所以，如果各大廠商將工藝?yán)^續(xù)下探至3nm或者更微觀的制程，量子遂穿問題就不得不解決，否則產(chǎn)品的穩(wěn)定性和良品率就難以保證。

當(dāng)然，技術(shù)并不是唯一的影響因素。從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度來說，制程的進(jìn)步是由市場(chǎng)需求決定的，市場(chǎng)有需求，廠商才會(huì)投入。工藝越難，需要投入的就資金越多，就需要更大的市場(chǎng)來維持，只要市場(chǎng)能擴(kuò)張，摩爾定律就可以維持一段時(shí)間。

后摩爾時(shí)代，下一步何去何從

但是，隨著納米工藝進(jìn)一步提升，遂穿效應(yīng)變得越發(fā)明顯，簡(jiǎn)單的體積或者數(shù)量累加越來越難解決根本問題。

為了搶首發(fā)推出更小制程的芯片，有的廠商開始在數(shù)字上做文章，此前有廠商推出的7nm芯片被發(fā)現(xiàn)其實(shí)制程并沒有達(dá)到7nm，而其性能相比于英特爾的10nm芯片也并沒有優(yōu)勢(shì)。

除了取巧，也有務(wù)實(shí)的科學(xué)家提出了新的方案。

傳統(tǒng)的晶體管是由硅制成，然而2011年來硅晶體管已接近了原子等級(jí)，達(dá)到了物理極限，由于這種物質(zhì)的自然屬性，硅晶體管的運(yùn)行速度和性能難有突破性發(fā)展。

于是，科學(xué)家提出了使用碳納米管替代硅材料，這是一種具有特殊結(jié)構(gòu)(徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)，管子兩端基本上都封口)的材料，比硅導(dǎo)電更快，效率更高。

理論上來說，同等量材料下，碳納米管的效率達(dá)到了硅的10倍，運(yùn)行速度是硅的3倍，而其能耗僅為后者的三分之一。

在實(shí)際應(yīng)用方面，人類也已經(jīng)有了突破，2013年，斯坦福大學(xué)制造出了第一臺(tái)碳納米管計(jì)算機(jī)，不過其只有178個(gè)晶體管。2019年，麻省理工的研究團(tuán)隊(duì)制造出了全球首款碳納米管通用計(jì)算芯片RV16X-NANO，擁有14000個(gè)晶體管。

不過，這一發(fā)展進(jìn)度還屬于“初級(jí)階段”，該芯片的晶體管通道長(zhǎng)度約為1.5微米，這一數(shù)值與1985年發(fā)布的Intel 80386硅芯片一致。雖然碳納米管計(jì)算機(jī)可能還需要數(shù)年時(shí)間才趨于成熟，但這一突破已經(jīng)凸顯未來碳納米管半導(dǎo)體以產(chǎn)業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的可能性。憑借其優(yōu)良的特性，加之成熟的工藝(碳納米管芯片制造工藝與硅芯片的一致)，這一材料的爆發(fā)指日可待。

此外，科學(xué)家也提出了自旋電子材料，這是一種利用電子旋轉(zhuǎn)的性能，利用“上”或者“下”的電子自旋方向記錄二進(jìn)制數(shù)據(jù)的材料。在無任何外力供電的情況下，只需施加微弱電壓，該材料就能保持自身的磁性。

可以看出，這一材料的顯著優(yōu)勢(shì)在于其低功耗，只需施加微弱電壓也能有效減少遂穿效應(yīng)。不過，這一材料目前還處在實(shí)驗(yàn)室階段。

總的來說，當(dāng)前的硅晶體管還將繼續(xù)存在一段時(shí)間。臺(tái)積電領(lǐng)導(dǎo)人曾對(duì)外表示摩爾定律將持續(xù)到2025年。那么2025年之后又要怎么辦呢?對(duì)行業(yè)巨頭來說，除了繼續(xù)探索當(dāng)前材料的極限，還要做好兩手準(zhǔn)備，積極開發(fā)新半導(dǎo)體材料新技術(shù)。