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摘要：为纪念摩尔定律发表50周年，本文介绍了摩尔定律的最初提出，一直作为信息技术工业的第一定律，它不仅有力地促进了电子信息工业的快速发展，甚至深刻地改变了社会历程和人类生活。今天摩尔定律正在接近它的终极，文章较详细地描述了“后摩尔定律时代”的多元化技术发展。本文网络版地址：http：//.cn/article/27921l.htm
关键词：摩尔定律；Intel公司；工艺微细化；信息；3D化；三五族半导体；量子计算机；仿脑计算机
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.8.001
接上期
摩尔定律的终极
摩尔定律简单一点地说，就是使电子产品的更新换代快，而且有规律可循，今天买了一台电脑，它的性能是两年前同等价格所买电脑的两倍。摩尔定律表达的“集成电路集成度提高成本下降”的含义，或可推演而成“性能提高成本下降”的一般概念，那就适用于一切产业，包括汽车、航空、钢铁等等，事实上，电子业界的产品、所用半导体、制造设备和材料等有关厂商都以摩尔定律作为基准来制定各自的开发计划。摩尔定律堪称“魔术师手拿的棍子”，成为将“科幻世界”转变为现实的原动力，技术不断进步的源泉。
摩尔定律的作用如此巨大，受到了人们的无限崇拜，爱之不能释手，似已不可一日或无。日前有外媒刊载了一篇以“五十年后摩尔定律才开始颠覆一切”为题的文章说：“4月19日是摩尔定律发表五十周年，在现代，摩尔定律对工业和人类社会的影响超过了其他任何事物”，“摩尔定律已经彻底改变了我们的生活”，“更加重要的是，其影响才刚刚开始，尽管摩尔本人曾说，他认为他提出的摩尔定律会在这个十年结束时失效”。
另一方面，业界人士对摩尔定律何时终结的讨论已有数年，也有外媒前几年就直白地说：“摩尔定律已死？重要吗？”“业界持续讨论摩尔定律终结已经有一段时间了……摩尔定律终结可能大幅改变目前的产业……美国国防部先进研究计划署（DARPA）微系统技术办公室总监Robert Colwell（甚至）说，摩尔定律终结将成为美国国家安全的威胁……（但是，）我们当然不能指望50年来沿用的技术永远不发生改变地持续下去”。
世界万物有始必有终，摩尔定律总有失效之时。摩尔本人坦承：“Somethinglike this can’t continue for ever”他在2005年纪念摩尔定律40周年时曾说，再过40年后的情况不可想象，但他预想摩尔定律还可存在一、二十年。上面说过，推进摩尔定律发展的动力是工艺微细化，1970年半导体的加工尺寸为10μm，经过40年到2005年接近50μm，缩小了200多倍，大约每3年发生一次技术变革，从O.lμm后工艺微细化速度开始趋缓。大约在进入新世纪之前，工艺微细化即曾遭遇到3次所谓极限挑战：第1次是1985年的1μm，第2次是上世纪90年代的深亚微米（o.5μm以下），第3次是21世纪初的0.1μm，但都一一被化解，延续发长到今天的20nm左右。市场调研公司iSuppli在2009年曾发表一份报告指出：“1965年出现的摩尔定律在20nm～18nm工艺之间仍然有效，但达到18nm之后很可能失效，引起了热议。究其原因，其一是技术突破难度加大，其二是成本太高无法回收。据统计，世界半导体业营收1960年～1995年的年均增长率达17%，而自1995年～2010年间已下降到约6%。
到目前为止，英特尔、IBM都仍主要采用22nm成熟工艺，AMD更停留在28nm多年，业界正在转向14nm和lOnm工艺。最近外媒报道，IBM采用EUV（远紫外光刻）技术和硅锗（SiGe）材料开发成功了7nm芯片，可容纳200亿个晶体管，面积比lOnm工艺缩小近一半，《纽约时报》最初即以“IBM Announces Computer Chips More Powerfulthan Any in Existence为题发表了报道，有些媒体更直言“IBM打了英特尔的脸”。实际上，IBM的产品还仅处于实验室阶段，而人们早在3年前就耳闻英特尔已开始了7nm和Snm工艺的研发，在今年的ISSCC（国际固态电路会议）上，英特尔高级研究人员表示将在2018年前推出7nm工艺产品。既便如此，人们都已看到摩尔定律前进的脚步在大大放惺。
业界大多人士已承认摩尔定律正走向终极！2014年在加州召开的“IEEE Technology TimeMachine（TTM）2014”（2014年美国电气电子工程师协会未来技术设备）研讨会上，与会专家学者认为，摩尔定律不一定已达终点，但正接近终点。基于摩尔定律的高速技术发展已不可能，今后必须推翻旧传统，探索新技术，寻求新机遇。预计今后20年内将引入“后CMOS”的新器件和非诺伊曼计算机结构，值得注意的技术有量子计算机、大数据、碳纳米管及仿（人）脑技术等。就在这个会上，摩尔本人也说：“我认为摩尔定律将在下个10年左右告终”。博通公司首席技术官（CTO）Hey Samueli在纪念以太网诞生40周年的大会上对半导体业的前景作了展望，他说： “摩尔定律日渐接近终点，所剩下的时间大约也就15年了。标准的硅CMOS晶体管的微细化停滞在Snm上下，再后的进步怕已难以见到。”
就在笔者审阅本文时，《金融时报》7月中旬以《英特尔CEO：摩尔定律即将终结》为题的报道指出，摩尔此前曾表示：“这一定律能持续正确如此长的时间令人惊讶。最初的预言只关注了10年，我当时认为这已经是一段漫长的时间。然而，这样的定律持续了50年，这令人惊叹。但未来某天，这一定律将会失效。”现任Intel公司CEO Brian Krzanich也警告称，摩尔定律即将走向终结！可见最坚定守护摩尔定律的Intel公司面对现实，终于改口了。且公司有实际行动，它于6月初以167亿美元巨资收购了生产FPGA的巨擘Altera公司，FPGA（现场可编辑门阵列）是可作为类似GPU（图形处理器）一样的加速技术整合进CPU的，也就是将CPU和FPGA整合在一起了。原因无非是摩尔定律失速，CPU的频率已登顶，集成度已很难继续提高。一句话，如若单单依靠摩尔定律，产品性能已无法提高，不得不说这是公司看到“后摩尔定律”时代后的一项重大应对措施。
《日经电子学》近期也以《再见吧！摩尔定律》为题来纪念其50周年，文章说：（摩尔定律）作为电子产业持续成长的基础，如今已近黄昏，今后沿着摩尔定律提高集成度之路已走到尽头的半导体产品将渐渐发展多样化。但业界并不悲观，认为未来将迎来“创新的时代！”“既不能再仰赖器件尺寸的缩小，那就开始多姿多采的技术进步吧！”后摩尔定律时代足以引起业界极度注目的技术大致有：
3D化
走在微细化工艺最前列的NAND闪存，目前平面NAND大公司的加工工艺已达1X的水平，普遍认为lOnm将达于终极（图4），以后则将走3D化道路。3D化NAND的概念是东芝公司于2007年提出的，量产则是三星公司率先施行的，2013年大量生产2位/单位的128Gb产品，2015年发表了3位/单元的128Gb产品，其他公司将于2015年～2016年相继开始量产，成为近期主流产品技术。
Intel于2002年起投入3D晶体管的研发，并于2011年正式量产3D化的3栅晶体管技术（3-D Tri-Gate transistors），并应用于Ivy Bridge的22nm处理器以及SoC产品，具有低功耗与高效能相结合的优点，此后，Altera公司则在其主流FPGA产品中采用了14nm的该项技术。
FinFET （FinField-Effect Transistor鳍式场效晶体管）是一种新的互补金属氧半导体（CMOS）晶体管，在FinFET架构中，门控类似鱼鳍的叉状3D架构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电流（leakage），也可以大大缩短晶体管的栅长。今天业界从28nm过渡到20nm时降低成本成为面临的一大难题，因而大部分公司在16nm或14nm工艺上都考虑采用FinFET 3D技术。但FinFET在设计方面遇到的最大挑战是必须进行FinFET验证，至于3D化的挑战则在于几家主要的业者尚未支持堆栈式芯片架构，目前只有台积电可支持堆栈芯片，以及三星正研发3D堆栈芯片。未来FinFET或还可应用于锗和三五族元素的制作中。
碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断展现出来。在2014年国际电子组件会议（IEDM）上，斯坦福大学（Stanford University）的研究人员展示了采用碳纳米管的3D芯片，碳纳米管重新赢得了研究人员的兴趣，它可以取代采用TSV（硅穿孔技术）的3D芯片。TSV用铜填充硅片孔洞，而铜遇热会比周围的硅材料膨胀更多，而碳纳米管的热膨胀系数则与周围的硅差不多，此外与铜相较，纳米管的传导性更高、重量更轻。不过，以碳纳米管取代TSV要达到量产还需克服一大障碍，就是制程的温度：碳纳米管通常在摄氏700。之下进行生产，但CMOS芯片在超过摄氏450。的环境下就会受损，据说如以独立制程生产纳米管，再以机械方法进行填充，或需5年时间。
3D-TSV封装技术是实现多功能、高性能、高可靠且更轻、更薄、更小的系统级封装最有效的技术途径之一，常用于DRAM的3D化。美国Micron公司即用此法开发了专用控制器上的叠层DRAM，去年开始供应4片2GB叠层的4GbDRAM和8片叠层的4GB产品。韩国Hynix和三星公司也分别在开发和出货通过30-TSV技术的DRAM。
新材料
大多数三五族（III-V）元素，包括铟（In）、镓（Ga）、砷（As）以及磷（P）都有比硅晶体管沟道更高的电子迁移率，可提升芯片效能与节省电能，被视为产业明日之星，甚至宣传“将无限延长摩尔定律寿命”。其中，砷化鎵GaAs）、砷化铟（InAs）和砷化铟镓（InGaAs）等化合物尤其引人瞩目，例如砷化镓不仅能提升晶体管性能，还可整合光学电路的功能。
在绝缘硅片上嫁接三五族化合物的关键是纳米线。美国康乃狄克大学（University of Connecticut）通过POET（Planar Opto Electronic Technology-平面光电技术）形成晶体管沟道，适用于SOI（绝缘硅片）基板上嫁接三五族化合物半导体。IBM公司则在研发模板辅助选择性外延（TASE-Template-Assisted Selective Epitaxy）技术形成纳米级空穴结构和多栅FET（MulG-FET），以便在绝缘体基板上生长出几乎没有缺陷的化合物半导体晶体管的纳米线技术。
最近IBM公司宣布，采用锗硅（SiGe）材料和7nm工艺开发出了锗硅芯片，形成了分子大小的开关，其计算能力约为当前最强芯片的4倍，可用以制造最强大的超级计算机。
数据中心新结构
数据中心（data centric）取代传统的处理中心（processing Centric）结构虽然沿用了诺依曼结构和CMOS技术，但由于采用了存储类内存（SCM-Storage ClassMemory）扩大了内存容量，提高了数据传输速度从而改善系统的性能。这类内存除NAND闪存外，还有MRAM（磁性随机存取内存）、PRAM（相变化内存）、ReRAM（可变电阻内存）及STT-MRAM（Spin TransferTorque Magnetoresistive Random Access Memory自旋转移矩磁阻随机内存储器）等，这些新技术具有非易失性、运行速度快、读写次数无限等特性，当然，彼此之间也存在着竞争关系。开发或供应的公司甚多，其中ReRAM和STT-MRAM新一代存储器尤受人瞩目，STT-MRAM非常适于目前许多主流应用，作为内存技术，它既有DRAM和SRAM的高性能，又有闪存的低功耗和低成本优势，并可可沿用现有的CMOS制造技术并采用10纳米工艺。
非诺依曼结构
传统计算机无不采用诺依曼结构（采用二进制，按程序顺序执行）而非诺依曼结构则是由数据而不是指令来驱动程序执行的。当前热议的非诺依曼结构计算机包括量子计算机和仿（人）脑计算机。量子计算机（quantumcomputer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。依靠量子的多态性，其速度远胜传统电脑，因为量子不像半导体只能记录0与1，而可以同时表示多种状态。各国（包括中国）都在研究，据国外媒体今年4月报道，IBM研究人员完成了四量子位原型电路，为推出量子计算机奠定了基础。量子计算机可以用来破解当今最强大的加密方式，也可搜索数量难以想象的数据。IBM的研究人员认为，能计算数百量子位的计算机可望在5到10年内出现，但尚不清楚究竟需要多长时间量子计算机才能取代传统电脑。据传谷歌也推出了自己的量子电路，加拿大D-Wave公司更宣布已成功开发出量子计算机。一句话：“IBM量子计算机获（得）关键突破，十年内（将）终结摩尔定律”。
过去的几年里，科技公司和科研人员都在努力研制神经形态计算机用的基本构件——即模拟人脑能力的芯片，它既有分析能力，又有人脑般的直觉，从而可处理大量的数据。去年8月，IBM发表了具有脑神经细胞和神经突触功能集成电路组成的神经结构（neuromorphic）芯片一“TrueNorth”，可用以建造仿脑计算机。这种计算机模仿人脑结构，使用毫米尺寸的芯片，大大节能，可以置入眼镜、腕表，以及其他可穿戴设备中去，作医疗辅助之用。虽然这类芯片不像诺依曼结构芯片那样具有通用性，但在特定应用方面则具有巨大的优势，据说高通公司今年5月发表了具有仿脑计算技术的“Zeroth”芯片，可用以识别图像、语音等。目前，仿脑计算机的研发还处于初始阶段，尚有许多困难有待克服。无论如何，这是人们开发未来崭新一代计算机的方向。