摩爾定律面臨的挑戰(zhàn)

1、摩爾定律面臨的挑戰(zhàn)目錄1.什么是摩爾定律？2.摩爾定律面臨的挑戰(zhàn)3.新技術(shù)帶來(lái)的突破什么是摩爾定律 摩爾定律是由英特爾創(chuàng)始人之一戈登摩爾提出來(lái)的。其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買(mǎi)到的電腦性能，將每隔18個(gè)月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。 盡管這種趨勢(shì)已經(jīng)持續(xù)了超過(guò)半個(gè)世紀(jì)，摩爾定律仍應(yīng)該被認(rèn)為是觀測(cè)或推測(cè)，而不是一個(gè)物理或自然法。預(yù)計(jì)定律將持續(xù)到至少2015年或2020年。然而，2010年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖的更新增長(zhǎng)已經(jīng)放緩在2013年年底，之后的時(shí)間里晶體管數(shù)量密度預(yù)計(jì)只會(huì)每三年翻

2、一番。定律驗(yàn)收：1975年，在一種新出現(xiàn)的電荷前荷器件存儲(chǔ)器芯片中，的確含有將近65000個(gè)元件，與1965年摩爾的預(yù)言一致。另?yè)?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摩爾定律年P(guān)entiumII處理器上的7.5百萬(wàn)個(gè)，26年內(nèi)增加了3200倍。如果按“每?jī)赡攴环钡念A(yù)測(cè)，26年中應(yīng)包括13個(gè)翻番周期，每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，芯片上集成的元件數(shù)應(yīng)提高2n倍（0n12），因此到第13個(gè)周期即26年后元件數(shù)這與實(shí)際的增長(zhǎng)倍數(shù)3200倍可以算是相當(dāng)接近了。摩爾定律面臨的挑戰(zhàn) 摩爾定律問(wèn)世已40多年，人們不無(wú)驚奇地看到半導(dǎo)體芯片制造工藝

3、水平以一種令人目眩的速度提高。Intel的集成電路微處理器芯片Pentium4的主頻已高達(dá)2GHz，2011年推出了含有10億個(gè)晶體管、每秒可執(zhí)行1千億條指令的芯片。這種發(fā)展速度是否會(huì)無(wú)止境地持續(xù)下去是成為人們所思考的問(wèn)題。 從技術(shù)的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯(cuò)率也將呈指數(shù)增長(zhǎng)，同時(shí)也使全面而徹底的芯片測(cè)試幾乎成為不可能。一旦芯片上線條的寬度達(dá)到納米（10-9米）數(shù)量級(jí)時(shí)，相當(dāng)于只有幾個(gè)分子的大小，這種情況下材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到盡頭。 物理學(xué)家加來(lái)道雄（Michio Kaku）是紐約城市大學(xué)一名理論

4、物理學(xué)教授，2012年接受采訪時(shí)稱(chēng)摩爾定律在叱咤芯片產(chǎn)業(yè)47年風(fēng)云之久后，正日漸走向崩潰。這將對(duì)計(jì)算機(jī)處理進(jìn)程產(chǎn)生重大影響。在未來(lái)十年左右的時(shí)間內(nèi)，摩爾定律就會(huì)崩潰，單靠標(biāo)準(zhǔn)的硅材料技術(shù)，計(jì)算能力無(wú)法維持快速的指數(shù)倍增長(zhǎng)。 加來(lái)道雄表示導(dǎo)致摩爾定律失效的兩大主因是高溫和漏電。這也正是硅材料壽命終結(jié)的原因。加來(lái)道雄表示這與科學(xué)家們最初預(yù)測(cè)摩爾定律沒(méi)落大相徑庭?？茖W(xué)家應(yīng)該能繼續(xù)挖掘硅部件的潛力，從而在未來(lái)幾年時(shí)間里維持摩爾定律的生命力；但在3D芯片等技術(shù)也都耗盡潛力以后，那么也就將達(dá)到極限。芯片的功耗包括由CMOS管狀態(tài)改變所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功耗與由漏電流產(chǎn)生的靜態(tài)功耗。其中靜態(tài)功耗包括三個(gè)部分：A、C

5、MOS管亞閾值電壓漏電流所需功耗；B、CMOS管柵極漏電流所需功耗；C、CMOS管襯底漏電流（BTBT)所需功耗。 柵極氧化層隨著晶體管尺寸變小而越來(lái)越薄，目前主流的半導(dǎo)體制程中，甚至已經(jīng)做出厚度僅有1.2納米的柵極氧化層，大約等于5個(gè)原子疊在一起的厚度而已。在這種尺度下，所有的物理現(xiàn)象都在量子力學(xué)所規(guī)范的世界內(nèi)，例如電子的穿隧效應(yīng)。因?yàn)榇┧硇?yīng)，有些電子有機(jī)會(huì)越過(guò)氧化層所形成的位能障壁（potential barrier）而產(chǎn)生漏電流，這也是今日集成電路芯片功耗的來(lái)源之一。 盡管如果晶體管不能繼續(xù)“瘦身”，摩爾定律就會(huì)失效，芯片產(chǎn)業(yè)的后硅元素時(shí)代不應(yīng)當(dāng)被忽視。當(dāng)傳統(tǒng)硅晶體管最終不能繼續(xù)發(fā)展后

6、，芯片還可以采用其他多種元素。 目前，晶體管的源極、漏極和通道是用硅元素制成的，它們也可以由砷化銦、砷化鎵、氮化鎵和化學(xué)元素周期表上第三和第五族的其他元素制成。來(lái)自化學(xué)元素周期表中不同的族，意味著晶體管材料有不同的屬性，它們的一大特性是有更高的電子遷移率，這意味著電子遷移速度更快，晶體管速度也可以因此更高。 然而，這也只是權(quán)宜之計(jì)。其它材料雖然有潛力，但是遲早會(huì)遇到與硅同樣的問(wèn)題。 Intel今年已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)14nm工藝，下一代工藝將是10nm，Intel原本計(jì)劃在2015年底開(kāi)始投產(chǎn)10nm工藝。隨著半導(dǎo)體工藝進(jìn)入10nm內(nèi)，新一代EUV光刻（極紫外光刻）設(shè)備也愈加重要，這還要看荷蘭ASML

7、公司的研發(fā)進(jìn)度了。日前該公司公布了Q3季度財(cái)報(bào)，其中提到他們將在2016年10nm工藝節(jié)點(diǎn)上正式啟用EUV光刻工藝，首個(gè)客戶普遍認(rèn)為是Intel公司。不過(guò)EUV工藝拖延了這么多年，Intel對(duì)此早就淡定了，此前他們表示就就算沒(méi)有算沒(méi)有EUV光刻工藝，光刻工藝，他們也懂得如何在他們也懂得如何在7nm工藝制造芯片工藝制造芯片，言外之意就是有EUV工藝更好，沒(méi)有EUV也行的，英特爾不差這點(diǎn)。按照英特爾的路線圖，按照英特爾的路線圖，2017年就要進(jìn)步到年就要進(jìn)步到7nm工藝工藝，不知道在這樣發(fā)展下去硅原子的物理極限怎么突破，要輪到新材料出場(chǎng)了么？ 從經(jīng)濟(jì)的角度看，正如摩爾第二定律所述，20-30億美元

8、建一座芯片廠，線條尺寸縮小到0.1微米時(shí)將猛增至100億美元，比一座核電站投資還大。由于花不起這筆錢(qián)，越來(lái)越多的公司退出了芯片行業(yè)。 摩爾在經(jīng)濟(jì)學(xué)家雜志上撰文寫(xiě)道：“現(xiàn)在令我感到最為擔(dān)心的是成本的增加，這是另一條指數(shù)曲線”。他的這一說(shuō)法被人稱(chēng)為摩爾第二定律。新技術(shù)帶來(lái)的突破 2012年10月28日，美國(guó)IBM研究所科學(xué)家宣稱(chēng)，最新研制的碳納米管芯片符合了“摩爾定律”周期，依據(jù)摩爾定律，計(jì)算機(jī)芯片每18個(gè)月集成度翻番，價(jià)格減半。傳統(tǒng)的晶體管是由硅制成，然而2011年來(lái)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。尺寸更小，電子遷移率更高

9、的碳納米管 IBM公司的研究人員在一個(gè)硅芯片上放置了1萬(wàn)多個(gè)碳納米晶體管，碳納米晶體管的電子比硅質(zhì)設(shè)備運(yùn)行得更快。它們也是晶體管最理想的結(jié)構(gòu)形式。這些優(yōu)異的性能將成為替代硅晶體管的原因，同時(shí)結(jié)合新芯片設(shè)計(jì)架構(gòu)，未來(lái)將使微型等級(jí)芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)創(chuàng)新。 后硅時(shí)代最有希望的一種晶體管材料是石墨烯。石墨烯可以卷成一個(gè)納米管，平面的石墨烯也能用作半導(dǎo)體材料。石墨烯擁有獨(dú)特的物理、化學(xué)和結(jié)構(gòu)特性，尤其值得關(guān)注的是，電子可在石墨烯結(jié)構(gòu)中以1/300光速的超高速度運(yùn)行，如果用石墨烯連接晶體管中的源極和漏極，晶體管的開(kāi)關(guān)速度可以非常高，因此被視為制造下一代芯片的理想材料。使用石墨烯制造的處理器頻率有望達(dá)到1THz以上，是目前硅芯片的100到1000倍。芯片廠商Analog Devices首席技術(shù)官薩姆福勒(Sam Fuller)表示，“我認(rèn)為石墨烯前景非常好。”賓夕法