摩尔定律走向终结，半导体行业何去何从？

问题，企业发展出了一个可谓"自动升级"的循环流程：通过大规模制造和销售少数种类的芯片--主要是处理器和存储芯片--获得大量收入，然后投钱去改进工厂和设备，结果是在提升芯片性能的同时仍能降低价格，因此市场的需求也获得进一步提升。

不过，很快这个市场驱动的模式也无法维持摩尔定律的高速度发展，芯片制造的过程变得过于复杂，常常包含几百个步骤，产品的升级意味着整个供应商和设备商需要在对的时间同时完成升级。"如果你需要40个家供应商而只有39家的产品有所升级，那么所有的事情都得停下来。" 德克萨斯州大学奥斯汀分校研究计算机行业的经济学家肯尼思·弗拉姆（ Kenneth Flamm）表示。

为了完成产业上下游的协调，全球半导体行业开始制作了第一次的行业研发规划蓝图，目的是"让所有人都能大致知道他们的进度应该到哪，如果在发展过程中遇到问题也可以警告所有同行，" 保罗·加尔吉尼表示。美国半导体行业1991年推出了这项蓝图和战略，时任英特尔技术战略总监的加尔吉尼成为该协会主席，1998年，来自欧洲、日本、台湾和韩国的半导体行业协会也都纷纷加入，该协会变成了国际组织。

"热死亡"

全球半导体行业协会遇到的第一个大的问题并非突然出现，加尔吉尼在1989年就曾经对此进行过警告，然而问题来临之时对行业还是造成了不小的冲击：芯片变得太小。

"曾经只要我们可以将所有的东西都缩小，问题就会自动解决，" 加州圣塔克拉拉第三个千年测试解决方案（Third Millennium Test Solutions）公司的CEO比尔·鲍特姆斯（Bill Bottoms）表示："芯片会变得更快，耗能更少。"

但是到了本世纪初，微电路缩小到90纳米以下的时候，上述"自动解决"的方式开始不再灵光，随着越来越小的硅电路里的电子移动越来越快，芯片开始变得过热。

这是一个很严重的问题，处理器运行产生的热量很难消除，所以，芯片制造商选择了他们仅有的解决办法，加尔吉尼说，设备商不再追求绝对的计算次数，也就是处理器执行指令的速度。这样等于给芯片的电子运行速度加了上限，同时限制了产生的热量，2004年以来，这个运行速度的上限从没变过。

第二，虽然速度无法再提升，但为了将芯片性能按照摩尔定律进行提升，制造商对芯片内部电路重新进行了设计，每个芯片不再仅有一个处理器（或"内核"），而是两个、四个甚至更多（现在的电脑和手机的芯片很多都是四核或者八核处理器）。总的来说，原本一个千兆赫的内核现在可以分为四个250兆赫的内核。不过，在现实中，要使用八个处理器，意味着一个问题需要被分成八个部分，很多算法很难甚至无法做到这一点，"如果有部分没被利用，等于你的处理速度升级还是受到了限制，" 加尔吉尼说。

尽管如此，上述两大措施的结合，还是保证了制造商在发展进度上跟上了摩尔定律，现在的问题是，到2020年，当微电路缩小到会受到量子效应影响的时候会发生什么情况？下一步会是什么样子？"我们还没有解决方案，"参与制作新的行业规划蓝图的一名工程师陈安（音译）表示。

对此，行业内并不是没有想法，一种可能是去发展完全新的范式，比如量子计算，或者神经形态计算（neuromorphic computing），前者对于某些计算有潜力达到指数级的提升，后者则是模拟大脑神经元的计算和处理方式。但是，这两种范式目前仍还都存在实验室研究阶段，而且很多研究人员认为，量子计算只对某些特定领域有优势，而处理日常任务仍然是电子计算更优。"想想吧，用量子计算去记账是什么概念？" 加州伯克利劳伦斯国家实验室的负责人约翰·莎尔福（John Shalf）说。

寻找其他材料

如果一定要保留电子计算的范式，也有办法，那就是寻求一种"毫伏开关"--一种在计算速度上不亚于硅晶片，但发热量显著低于硅的材料。可行的方案包括了2D类石墨烯复合材料到自旋电子材料（spintronic materials ），后者可以通过让电子快速旋转来进行计算（现在的硅材料是电子发生移动来计算）。"当你跳出现有的技术的限制，就会发展可供研究开发的领域非常多。"半导体研究联合体（Semiconductor Research Corporation，src）的物理学家托马斯·西斯 （Thomas Theis）表示。

然而，这些方案目前也都仅限于实验室研究阶段，目前行业里仍未找到可以完全替代硅的材料，于是，不少研究人员开始在保留硅材料的前提下想办法，也就是从架构的角度将硅材料以全新的方式进行配置，比如走向3D：既然可以将电路蚀刻到硅平面的表面，为何不试试打造成"摩天大楼"，将表面已经蚀刻进电路的薄硅