《自然》：摩尔定律这次真的到头了！

50 年前，戈登 · 摩尔对芯片行业的发展发出预言：当价格不变时，硅芯片的性能每隔 18-24 个月便会提升一倍。但就在上周，全球最知名的学术刊物杂志上一篇文章写道，下个月即将出版的国际半导体技术路线图，不再以摩尔定律为目标了。芯片行业 50 年的神话终于被打破了。
　　

1965 年，英特尔联合创始人戈登 · 摩尔提出了他著名的理论：半导体芯片上可集成的元器件的数目每 12 个月便会增加一倍。也就是说，同样规格的芯片的成本，每 12 个月便会降低一半。1965 年每个芯片可以容纳 50 个晶体管，摩尔预测到了 1970 年，每个芯片将能够容纳 1000 个元器件，每个晶体管的价格会降低 90%。
　　

经过简化，这个发现被归纳成了「摩尔定律」：每个芯片上晶体管的数目每 12 个月将会增加一倍。
　　

戈登 · 摩尔的发现不基于任何特定的科学或工程理论，只是真实情况的影射总结。硅芯片行业注意到了这个定律，没有简单把它当作一个描述的、预言性质的观察，而是作为一个说明性的，重要的规则，整个行业努力的目标。
　　

实现这个目标并非只靠运气。硅芯片的制造是一个复杂的过程，用到了来自许多不同公司的机械、软件以及原材料。为了保证所有的下游公司都能保持一致，并维持与摩尔定律兼容的时间表，半导体行业发布了满足摩尔定律的预期技术及转型路线图。半导体行业协会（SIA）是一个位于北美的组织，成员包括英特尔、AMD、台积电、格罗方德、IBM 等公司，他们从 1992 年就开始制定路线图，1998 年 SIA 与全球其他类似的组织都联合了起来，一起制作国际半导体技术路线图（ITRS）。最新一版路线图发布于 2013 年。
　　

关于摩尔定律最初计算存在的问题早在 1975 年就出现过，根据可获取的经验数据，戈登 · 摩尔将定律中的翻倍时间修改为 24 个月。就这样，在后来的 30 年时间里，简单的几何比例缩小（使芯片上所有元器件越来越小）就保证了稳速的收缩，验证了摩尔的预测。
　　

到了 2000 年，显然几何比例到头了，但是各种技术手段的发明使得该行业的发展跟上了摩尔定律的步伐。在 90 纳米时，应变硅发明了；45 纳米时，增加每个晶体管电容的分层堆积在硅上的新材料发明了。22 纳米时，三栅极晶体管的出现保证了缩小的步伐。
　　

虽然有了这些新技术，行业依然触到了天花板。将光刻过程用于芯片，把芯片形式转换成硅片一直受到相当大的压力：目前，波长 193 纳米的光波被用来制造 14 纳米的芯片。其他波长的光波不是不可实现，只是徒增了制造过程的复杂性和成本。期待了很久的极短紫外线（extreme UV），波长 13.5 纳米，可以解决这个约束，但技术工程师已经证明 EUV 的批量生产尚有困难。
　　

即使有了 EUV，也很难确定又能改变多少：在 2 纳米下，晶体管只有 10 个原子宽，在这么小的范围不可能正常操作。即使这些问题都解决了，能源的使用和散热问题又凸显出来了：由于晶体管更轻薄了，散热变得更加困难。
　　

像应变硅和三栅极晶体管等新技术，从研发到投入生产花了十多年，而 EUV 经历了这么长时间还是纸上谈兵。除此之外还有一个与摩尔定律相对的洛克定律（Rock's law），强调了生产中的成本因素。通过观察可知，芯片制造厂商的成本每 4 年便会增加一倍。技术的进步不断为芯片上晶体管数量的增加铺平道路，但是芯片生产设施的建造会十分昂贵，而更小、更便宜的处理器的使用还在不断增加。
　　

最近，这些因素对芯片公司的影响越来越严重。英特尔原计划 2016 年推出 14 纳米 Skylakes 的缩小版--10 纳米 Cannonlake 处理器。但在去年 7 月，他们跳票了，将计划更改为仍然采用 14 nm 处理器的 Kaby Lake。Cannonlake 和 10 nm 仍在计划内，但估计要等到 2017 年下半年。
　　

目前的问题是晶体管的数量边际效用开始递减：多出来的晶体管利用率变低了。在 20 世纪 80、90 年代，晶体管增多产生的价值是显而易见的：奔腾系列的速度远远超过了 486，奔腾 II 又比奔腾更快，等等。处理器的升级使当前工作负载获得实质性的加速，包括处理器组合方式的进步（从简单顺序处理变为复杂超标量体系结构无序处理）和响应速度的提升。从 2000 年开始这些简单的改善就停滞不前了。受热量、响应速度的限制，每个处理器内核的性能只有微少增加。我们所看到的都是一个芯片内具有多个处理器内核。这增加了处理器整体的理论性能，但实际上很难应用于软件的改善。
　　

这些困难意味着以摩尔定律为驱动的路线图走到了尽头。2014 年，ITRS 宣布