至少過去十年來，人們就一直在談論摩爾定律的終結(jié)以及這將對現(xiàn)代社會產(chǎn)生什么樣的影響。

　　自 1947 年發(fā)明以來，晶體管就持續(xù)為現(xiàn)代世界提供動力，而硅芯片上封裝的晶體管數(shù)量在密度上穩(wěn)步增長，這使得過去 70 年里的計算能力呈指數(shù)級增長。

　　然而，晶體管是一個物理對象，并且是純粹的物理對象，它像其他所有物理對象一樣受物理定律的約束。這意味著晶體管的尺寸存在物理限制。

　　但在戈登·摩爾（Gordon Moore）就計算能力的增長速度做出他著名的預測時，沒有人真正考慮過納米尺度的晶體管。

　　但隨著我們進入 21 世紀的第三個十年，我們對在相同數(shù)量的硅中封裝更多晶體管的依賴正在突破物理可能的界限，導致許多人擔心已經(jīng)讓我們成為習慣的創(chuàng)新步伐可能會在不久的將來戛然而止。

　　晶體管的歷史

　　晶體管是一種半導體，通常具有至少三個可以連接到電路的端子。通常，其中一個端子負責控制通過其他兩個端子的電流，這允許在數(shù)字電路中快速切換。

　　在晶體管出現(xiàn)之前，這種快速的電路切換是使用熱電子閥完成的，熱電子閥通常被稱為舊式真空管。

　　這些真空管三極管比晶體管大得多，并且需要更多的功率才能運行。與晶體管不同，它們不是“固態(tài)”組件，這意味著它們在正常運行期間可能會發(fā)生故障，因為它們依賴于在管內(nèi)流動的電子運動來傳導電子電流。

　　這意味著基于真空管的電子設備體積大、溫度高且運行成本高，因為它們需要定期維護以更換因某種原因而發(fā)生故障的電子管，從而使整個電子機器停止運行。

　　晶體管是在 AT&T 的貝爾實驗室由 John Bardeen 和 Walter Houser Brattain 在 William Shockley 的監(jiān)督下“發(fā)明”的。盡管在此之前，晶體管的概念已經(jīng)存在了大約 20 年——但直到貝爾實驗室完成這項工作后，才建立了晶體管的工作模型。Shockley 在 1947 年的設計上改進了 1948 年的雙極結(jié)型晶體管，正是這種實現(xiàn)在 1950 年代首次投入批量生產(chǎn)。

　　下一個重大飛躍是硅表面鈍化，它允許硅取代鍺作為晶體管的半導體材料，后來又用于集成電路。

　　1959 年 11 月，貝爾實驗室的 Mohamed Atalla 和 Dawon Kahng 發(fā)明了金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) ，它比 Shockley 的雙極結(jié)型晶體管消耗的能量少得多，而且可擴展性更強。

　　MOSFET 仍然是當今使用的主要晶體管，并且作為一個單獨的單元，是人類歷史上制造最多的器件。由于 MOSFET 可以做得越來越小，越來越多的晶體管可以制造成集成電路，從而實現(xiàn)越來越復雜的邏輯操作。

　　到 1973 年，RCA 研究與工程執(zhí)行副總裁 William C. Hittinger吹噓“在只有幾毫米寬的硅‘芯片’上放置了 10,000 多個電子元件?！?今天的晶體管密度遠遠超過這些早期的進步數(shù)量級。

　　戈登摩爾無意中發(fā)明了摩爾定律

　　Gordon Moore 并不是一個家喻戶曉的名字，但他的作品幾乎遍布工業(yè)化世界的每個家庭和辦公室。盡管他將繼續(xù)成為英特爾公司的總裁，并最終成為其名譽主席，但當他在 1965 年描述我們現(xiàn)在所說的摩爾定律時，他并沒有那么受人尊敬。

　　作為一名電氣工程師，摩爾曾在貝克曼儀器公司的肖克利半導體實驗室部門工作，然后由肖克利本人領導。但后來， Shockley 的幾名員工，甚至是他的一些門徒，都對 Shockley 的領導層產(chǎn)生不滿，于是他們于 1957 年獨立成立了Fairchild Semiconductor，這是歷史上最有影響力的公司之一。

　　作為飛兆半導體的研發(fā)總監(jiān)，摩爾是詢問行業(yè)現(xiàn)狀的自然人，因此 1965 年《電子》雜志請摩爾預測十年后半導體行業(yè)的發(fā)展方向?？纯?Fairchild 的創(chuàng)新速度，摩爾只是及時地向前推斷。

　　自飛兆半導體開始制造半導體以來的幾年中，生產(chǎn)組件的成本下降，組件本身的尺寸每年減少約一半。這使得 Fairchild 每年生產(chǎn)的集成電路數(shù)量一樣多，但晶體管數(shù)量是前一年的兩倍。

　　“我沒想到這個估計會很精確，”摩爾在 1995 年寫道。“我只是想傳達一個想法，即這是一項有未來的技術(shù)，從長遠來看，它有望做出相當大的貢獻。”

　　“我認為這對行業(yè)來說確實是一項了不起的成就。保持這樣的指數(shù)增長 35 年，而密度卻增加了數(shù)千，這確實是很難有把握地預測的，”摩爾補充道。

　　摩爾的預測在大約十年內(nèi)基本保持穩(wěn)定，之后摩爾將他的估計修改為每兩年將晶體管密度翻一番?！拔覐奈茨軌蚩吹轿磥韼状鶾半導體]之外的任何細節(jié)。然而，令人驚訝的是，一代又一代地不斷涌現(xiàn)，使我們保持在同一個斜坡上，”摩爾寫道?！澳壳暗念A測是，這也不會很快停止?！?這在 1995 年可能是正確的，但不久之后摩爾定律很快就會開始突破物理學的界限，它將開始面臨生存挑戰(zhàn)。

　　為什么摩爾定律陷入困境？

　　站在2022 年看摩爾定律，其問題在于晶體管的尺寸現(xiàn)在非常小，以至于我們無法做更多的事情來使它們更小。根據(jù)臺灣半導體制造公司 2024 年的生產(chǎn)路線圖，晶體管柵極（電子作為電流流過的晶體管部分）的寬度現(xiàn)在接近 2 納米。

　　一個硅原子的寬度為 0.2 納米，這使得 2 納米的柵極長度大約有 10 個硅原子。在這些尺度上，隨著各種量子效應在晶體管本身內(nèi)發(fā)揮作用，控制電子的流動變得越來越困難。對于較大的晶體管，原子尺度上的晶體變形不會影響電流的整體流動，但是當你只有大約 10 個原子距離可以使用時，底層原子結(jié)構(gòu)的任何變化都會影響電流通過晶體管。最終，晶體管正在接近我們所能制造的盡可能小并且仍然可以工作的地步。我們一直在構(gòu)建和改進硅芯片的方式即將進行最后一次迭代。

　　摩爾定律還有另一個潛在的陷阱，那就是簡單的經(jīng)濟學?？s小晶體管的成本并沒有像 1960 年代那樣降低。充其量，它在一代又一代地略有下降，但規(guī)模不經(jīng)濟開始影響制造。當對半導體芯片的需求剛起步時，生產(chǎn)芯片的工程能力很昂貴，但至少是可用的。隨著從智能手機到衛(wèi)星再到物聯(lián)網(wǎng)的需求猛增，沒有足夠的容量來滿足這種需求，這導致供應鏈每一步的價格都上漲了。

　　更重要的是，當晶體管的數(shù)量增加一倍時，它們產(chǎn)生的熱量也會增加。對于作為最先進處理芯片的最大購買者的許多企業(yè)來說，冷卻大型服務器機房的成本越來越難以承受。隨著企業(yè)試圖延長 其現(xiàn)有設備的壽命和性能以節(jié)省資金，負責實現(xiàn)摩爾定律的芯片制造商帶來的用于研發(fā)的收入減少了——而研發(fā)本身也變得更加昂貴。

　　如果沒有額外的收益，就更難克服進一步縮小晶體管的所有物理障礙。因此，即使物理挑戰(zhàn)不會終結(jié)摩爾定律，但對更小晶體管的需求不足幾乎肯定會終結(jié)。

　　好的，那么我們在做什么呢？

　　嗯，這就是目前價值萬億美元的問題。在過去的 70 年中，我們經(jīng)歷了前所未有的技術(shù)進步，因此在這一點上，幾乎每個工業(yè)化社會都將快速的技術(shù)進步視為既定條件。

　　你怎么突然停下來？那會是什么感覺？30 年擁有相同的 iPhone 意味著什么？顯然，我們可以簡單地將其作為一個社會來處理。我們的 DNA 中沒有任何東西要求我們每兩到三年擁有一部新 iPhone，每五年擁有一部全新的電腦。我們只是已經(jīng)習慣了這種進步的速度，如果這種速度發(fā)生變化，我們也會使自己適應這種情況。

　　畢竟，人類擁有計算機的時間只有不到一個世紀，大約是我們作為一個物種在這個星球上存在的時間的 1/250,000。我們一定會找到辦法來度過如此艱巨的艱辛。

　　或者，我們可以興奮和期待地期待摩爾定律的終結(jié)。畢竟，逆境是發(fā)明之母。在過去的 70 年里，我們一直在試圖弄清楚如何越來越多地縮小晶體管，而現(xiàn)在這條創(chuàng)新之路已經(jīng)走到了盡頭。

　　這絕對不是唯一的前進方向，如果我們不再把所有的努力都放在縮小晶體管上，我們可以把精力放在其他領域，發(fā)現(xiàn)新的突破，相比之下，晶體管的發(fā)明可能顯得平庸。在探索這些新的創(chuàng)新途徑之前，我們不會知道，而摩爾定律的終結(jié)可能是我們需要的信號，即是時候開始尋找新的進步引擎了。

　　摩爾定律已死！摩爾定律萬歲！

　　歸根結(jié)底，摩爾定律從一開始就不是一個“定律”，而更像是一個自我實現(xiàn)的愿望。我們預計晶體管密度每年翻一番，然后每兩年翻一番，因此我們尋找如何完成這項任務。

　　無論接下來是什么，無論是量子計算、機器學習和人工智能，甚至是我們甚至還沒有名字的東西，我們都會找到一個新的愿望來推動這種創(chuàng)新向前發(fā)展。

　　歸根結(jié)底，我們對摩爾定律的著迷從來都不是晶體管的密度。大多數(shù)聽說過摩爾定律的人甚至無法開始解釋晶體管密度的含義，更不用說互鎖晶體管如何形成邏輯電路或口袋里的智能手機是如何工作的（或者甚至是 1970 年代的袖珍計算器） . 對于我們大多數(shù)人來說，摩爾定律始終是關于我們對進步的期望，而這在很大程度上取決于我們自己。

　　摩爾定律可能已經(jīng)走到了盡頭，但如果我們非常想要它，我們會找到一個新的摩爾定律。