摩尔定律已死 半导体行业发展会停滞吗

1965年，英特尔联合创始人戈登-摩尔(Gordon

Moore)观察到，集成电路中的元件集成度每12个月就能翻番。此外，确保每晶体管价格最低的单位芯片晶体管数量每12个月增长一倍。1965年，单位芯片50个晶体管可以带来最低的每晶体管成本。摩尔预计，到1970年，单位芯片可集成1000个元件，而每晶体管成本则将下降90%。

在对数据进行提炼和简化之后，这一现象就被称作“摩尔定律”：单位芯片晶体管数量每12个月增长一倍。

摩尔的观察并非基于任何科学或工程原理。这仅仅反映了行业发展趋势。然而，在随后的发展中，半导体行业并没有将摩尔定律当作描述性、预测性的观察，而是视为规定性、确定性的守则。整个行业必须实现摩尔定律预测的目标。

然而，实现这一目标无法依靠侥幸。芯片开发是一个复杂过程，需要用到来自多家公司的机械、软件和原材料。为了确保所有厂商根据摩尔定律制定同样的时间表，整个行业遵循了共同的技术发展路线图。由英特尔、AMD、台积电、GlobalFoundries和IBM等厂商组成的行业组织半导体协会从

1992年开始发布这样的路线图。1998年，半导体行业协会与全球其他地区的类似组织合作，成立了“国际半导体技术路线图”组织。最近的一份路线图于

2013年发布。

摩尔定律提出的预测早在很久之前就已出现过问题。1975年，摩尔本人更新了摩尔定律，将半导体行业的发展周期从12个月增加至24个月。在随后30年中，通过缩小芯片上元件的尺寸，芯片发展一直遵循着摩尔定律。

摩尔定律的终结

然而到00年代，很明显单纯依靠缩小尺寸的做法正走到尾声。不过，通过其他一些技术，芯片的发展仍然符合摩尔定律的预测。在90纳米时代，应变硅技术问世。在45纳米时代，一种能提高晶体管电容的新材料推出。在22纳米时代，三栅极晶体管使芯片性能变得更强大。

不过，这些新技术也已走到末路。用于芯片制造的光刻技术正面临压力。目前，14纳米芯片在制造时使用的是193纳米波长光。光的波长较长导致制造工艺更复杂，成本更高。波长13.5纳米的远紫外光被认为是未来的希望，但适用于芯片制造的远紫外光技术目前仍需要攻克工程难题。

即使远紫外光技术得到应用，目前也不清楚，芯片集成度能有多大的提高。如果缩小至2纳米，那么单个晶体管将只有10个原子大小，而如此小的晶体管可靠性很可能存在问题。即使这些问题得到解决，功耗也将继续造成困扰。随着晶体管的连接越来越紧密，芯片功耗将越来越大。

应变硅和三栅极晶体管等新技术历经了10多年的研究才得到商用。远紫外光技术被探讨的时间更长。而成本因素也需要考虑。相应于摩尔定律，我们还有一个洛克定律。根据后一定律，芯片制造工厂的成本每4年就会翻番。新技术的发展可能将带来更高的芯片集成度，但制造这种芯片的工厂将有着高昂的造价。

近期，我们已经看到这些因素给芯片公司造成了现实问题。英特尔原计划于2016年在Cannonlake处理器中改用10纳米工艺，这小于当前

Skylake芯片采用的14纳米工艺。去年7月，英特尔调整了计划。根据新计划，英特尔将推出另一代处理器Kaby

Lake，并沿用此前的14纳米工艺。Cannonlake和10纳米工艺仍在计划之中，但被推迟至2017年下半年发布。

与此同时，新增的晶体管变得越来越难用。80至90年代，新增晶体管带来的价值显而易见。奔腾处理器的速度远高于486处理器，而奔腾2代又远好于奔腾1代。只要处理器升级，计算机性能就会有明显的提升。然而在进入00年代之后，这样的性能提升逐渐变得困难。受发热因素影响，时钟频率无法继续提高，而单个处理器核心的性能只能实现增量式增长。因此，我们看到处理器正集成更多核心。从理论上来说，这提升了处理器的整体性能，但这种性能提升很难被软件所利用。

半导体行业的新路线图

这一系列困难表明，由摩尔定律驱动的半导体行业发展路线图即将终结。但摩尔定律日薄西山并不意味着半导体行业进步的终结。

爱荷华州大学的计算机科学家丹尼尔-里德(Daniel

Reed)打了个比方：“想一想飞机行业发生了什么，一架波音787并不比上世纪50年代的707快多少，但是它们仍然是非常不同的两种飞机。”比如全电子控制和碳纤维机身。“创新绝对会继续下去，但会更细致和复杂。”

2014年，国际半导体技术路线图组织决定，下一份路线图将不再依照摩尔定律。《自然》杂志刊文称，将于下月发布的下一份路线图将采用完全不同的方法。

新的路线图不再专注于芯片内部技术，而新方法被称作“比摩尔更多”。例如，智能手机和物联网的发展意味着，多样化的传感器和低功耗处理器的重要性将大幅提升。用于这些设备的高集成度芯片不仅需要逻辑处理和缓存模块，还需要内存和电源管理模块，用于GPS、移动网络和WiFi网络的模拟器件，甚至陀螺仪和加速计等MEMS器件。

以往，这些不同类型的器件需要用到不同的制造工艺，以满足不同需求。而新路线图将提出，如何将这些器件集成在一起。整合不同制造工艺、处理不同原材料需要新的处理和支持技术。如果芯片厂商希望为这些新市场开发芯片，那么解决这些问题比提高芯片集成度更重要。

此外，新的路线图还将关注新技术，而不仅是当前的硅CMOS工艺。英特尔已宣布，在达到7纳米工艺之后，将不再使用硅材料。锑化铟和铟镓砷化合物都有着不错的前景。与硅相比，这些材料能带来更快的开关速度，而功耗也较低。碳材料，无论是碳纳米管还是石墨烯，也在继续被业内研究。

在许多备选材料中，二维材料“石墨烯”被看好。这种自旋电子材料通过翻转电子自旋来计算，而不是通过移动电子。这种“毫伏特”量级( *** 作电压比“伏特”量级的晶体管要低得多)的电子开关比硅材料开关的速度更快，而且发热量更小。不幸的是这种电子材料还未走出实验室。

石墨烯的扫描探针显微镜图像

尽管优先级下降，但缩小尺寸提高集成度的做法并未被彻底抛弃。在三栅极晶体管的基础上，到2020年左右，“栅极全包围”晶体管和纳米线将成为现实。而到20年代中期，我们可能将看到一体化3D芯片的出现，即在一整块硅片上制作多层器件。

斯坦福大学的电气工程师Subhasish Mitra和他的同事已经开发出用碳纳米管将3D存储单元层连接起来的办法，这些碳纳米管承载着层间的电流。

该研究小组认为，这样的体系结构可以将能耗降低到小于标准芯片的千分之一。

IBM的3D存储芯片微观结构

此外，另一种提高计算性能的方法是使用像“量子计算”这样的技术，该技术有望加速某些特定问题的计算速度，还有一种“神经计算”技术旨在是模拟大脑的神经元处理单元。

但是，这些替代性的技术可能需要很久才能走出实验室。

而许多研究者认为，量子计算机将为小众应用提供优势，而不是用来取代处理日常任务的数字计算。去年底，谷歌量子人工智能实验室已证明：他们的D-Wave量子计算机处理某些特定问题，比普通计算机快一亿倍。

D-Wave量子计算机

通过新材料、不同的量子效应，甚至超导等不可思议的新技术，半导体行业或许能继续像以往一样提高芯片集成度。如果集成度能获得明显提升，那么市场对速度更快的处理器的需求可能将再次爆发。

但目前看来，摩尔定律被打破将成为一种新常态。摩尔定律对半导体行业的指导意义正逐渐消失。

一纸芯片禁令使我们意识到芯片的重要性，随着华为事件的不断发酵，大型公司开始创建芯片，在国家的支持下，许多公司取得了突破，它还设定了到2025年实现芯片自给率超过70％的目标，可以说，当时中国只有一个目标，那就是创建我们自己的芯片，尽管制作芯片的困难难以想象，但我们那时再也无法控制太多了，因为芯片已成为所有中国人的痛点，所以制作属于中国人的芯片是最重要的此刻的事情，急事，由于我们对芯片的需求非常紧迫，为什么我们不早做芯片，如果能够更早地制造它，那么我相信我们现在将不会经历这种无芯的痛苦，为什么不早发展，实际上，我们的国家完全没有参与，早在1965年，我国就开发了第一个国内产品芯片，那时，还没有ASML这样的巨人，甚至在半导体领域具有优势的日本也刚刚进入这一领域，值得一提的是，那时我们不仅独立开发芯片，而且还自行构建光刻机。

当时，中国科学院生产了65型接触式光刻机，在接下来的20年中，我们在芯片领域中一直遥遥领先，至少直到1980年，我们在芯片领域的技术水平才处于世界前列，但是，在1980年代，由于某些原因在自主研发问题上存在分歧，并且当时停止了许多研发项目，从那时起，购买更好的想法开始流行，另外，当时，许多外国芯片以良好的性能和低廉的价格进入该国，因此大多数公司会选择使用进口的芯片，这样，我们积累了20年的光刻机技术，这相当于浪费钱，场地，从那时起，在光刻机领域，我们进入了空白状态，2002年，上海微电子成立后，我们再次涉足光刻机领域。

1990年，我国启动了908项目，在这个项目中，我们已经投资了将近20亿美元，但我们别无选择，只能在建成时遇到落后的现实，而且我们在一开始就遇到了棘手的危机，这使我们在这一领域逐渐滞后，这种情况直到2000年才开始好转，中芯国际这样的公司出现在中国，这给国内芯片带来了一点希望，前景如何，那么在这种情况下，中国半导体领域将如何发展，实际上，从个人角度来看，国内的发展前景仍然非常好，至少到目前为止，可以肯定的是我们在这一领域还不是完全空白，2014年，国家集成电路产业发展推进刚要正式发布，发布此大纲意味着我们将重新确定发展集成电路产业的决心，但是，值得一提的是，我们目前的情况不是很好，随着外国公司的不断加速，我们在半导体领域的发展已经落伍了，但是好消息是，目前芯片的发展即将突破摩尔定律的极限。

这实际上对国内半导体的发展是一件好事，所谓的摩尔定律是指集成电路上的晶体管数量每18-24个月翻一番，现在，世界上最先进的芯片工艺已开发到5nm，目前正在开发3nm，但是速度越来越慢，例如，拥有世界上最先进技术优势的台积电，从28nm到14nm已经使用了十多年，随着芯片的发展无限接近摩尔定律，未来芯片流程的发展肯定会变得更加缓慢，这对我们来说是个好消息，因为当芯片达到摩尔定律时，芯片的发展将不可避免地陷入停滞状态，这使我们有时间进行追赶，目前，国产芯片已达到7nm并由中芯国际掌握，从28nm到7nm，百度的昆仑二号和阿里平头哥的独角兽也已上市，所有这一切无疑是不可能的，这并不能证明我们即将迎来芯片发展的大趋势，我相信，在大公司的不懈努力下，我们将能够在芯片领域创造更加辉煌的时刻。

随着疫情的逐渐稳定、各国复工复产的加速推进，全球半导体市场也逐步回暖。半导体危机不会持续很久。

一个国家想要快速的发展，必须确保经济技术层面不受他人的制约，目前看来半导体行业已经上升至系统性打压，我国必须加强完善整条产业链的短板，在打好基础的同时推动自主研发。尽管当前全球半导体产业仍处于困境之中，但目前全球各大产业链巨头们已纷纷伸出援手，积极进行芯片技术及生产设备补货和供货，这让市场对此次危机也有了更多的预期和思考。

全球疫情影响，叠加各国复工复产加速推进

当前，由于新冠疫情在全球范围内仍处于蔓延趋势中，多国出台了一系列控制措施，但疫情的严重影响尚未得到完全消除，且在经济活动、人员流动、供应链等方面均受到一定程度的影响。而这其中对全球半导体产业链影响最大，同时随着各国复工复产加速推进，对全球半导体产业的需求也在逐渐复苏。

全球产业链企业为保障芯片供应稳定纷纷伸出援手

对我国的半导体限制措施，目前看来已经产生了极大的影响，但是随着我国对研发的不断投入，半导体危机也将逐步解除。自全球半导体行业遭遇芯片供应危机以来，世界各地产业链企业纷纷伸出援手保障芯片供应稳定。如果世界上所有行业在全球经济活动放缓和新冠肺炎疫情背景下陷入困境或将面临巨大风险，这也将直接影响到整个行业在全球范围内的发展，因此台积电将通过新冠肺炎疫情基金募集资金来解决芯片短缺问题。在新冠疫情持续导致全球多地工厂停工及生产停滞的情况下，今年第一季度甚至第二季度半导体制造行业出现严重下滑。

---