点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:面对自然法则极限摩尔定律这根指挥棒还能挥舞多久
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

面对自然法则极限摩尔定律这根指挥棒还能挥舞多久

来源:科技日报2021-04-08 10:14

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  3月末,蔚来汽车宣布因芯片短缺暂停生产5天,这一公告引起社会热议。不仅是汽车,如今我们的生活已经离不开芯片,随着芯片在日常生活中占据的位置日益重要,其升级也受到越来越广泛的关注。

  提到芯片的发展升级,就不得不提起大名鼎鼎的摩尔定律。1965年4月,《电子学》(Electronics)杂志上发表了一篇对电子行业进行预期的文章,提出微处理器运算能力每12到18个月提高一倍,或者说是芯片从设计到制造过程中,工艺进步使得集成度翻倍,成本减半。

  摩尔定律提出50年后,提出者戈登·摩尔在接受采访时吐露心声:这只是一个大胆推测。“但后来这个推论不断驱动和主宰半导体行业的发展,我也就心安理得了。”

  几十年来,一直有“摩尔定律不久就会失效”的声音,但时至今日,它仍颠扑不破。集成电路发展取得突破的新消息仍旧不断传来,继5纳米后,3纳米芯片已在量产途中。与其说戈登·摩尔做出了大胆的预测,不如说他给半导体行业做出了不断前进的“小目标”。

  是预测,更是小目标

  我们可以将集成电路想象成在硅片上的“微雕”,即在硅圆晶上雕刻亭台楼阁、立交路网甚至整个城市,只不过所用的“刻刀”是光。

  为什么当下集成电路领域的少数企业能够形成垄断?例如光刻机荷兰阿斯麦尔独领风骚,芯片制程台积电一骑绝尘。

  它们其实并不是一开始就领跑的。“日本的光刻机其实在这个行业里称霸了几十年,但当极紫外光刻到达某个程度,由于资金和人力成本投入太高,日本的产业做出了一个预判,花更大成本获得更高精度的芯片可能很难得到广泛的商业应用,因此对投入产出比的判断使他们放缓了对更高精度光刻机的研制。” 中国科学院微电子研究所研究员周玉梅告诉记者,而荷兰做光刻机的团队执着地认为技术能够一点点往前推进,在不断推进的过程中,一些大企业加入合作,如台积电即在前期进入、投入,共同研发。

  合作使得新的技术极限很快获得突破。

  正是由于半导体产业的不同位置的企业、团队的共同推进和成果共享,突破极限的芯片被成功应用,摩尔定律也因此可以继续向前推进。

  虽然在推动半导体产业遵循摩尔定律的过程中,很多企业的投入成为“炮灰”,但从人类挑战微观世界极限的角度来看,它们非常值得尊重。

  二十多年前,极紫外光刻等技术路线尚在探索中。据记载,1997年业内就预测2006年芯片特征尺寸将缩小到100纳米,而100纳米是一种挑战,因为制造小于100纳米线宽的集成电路时,光源波长将大于其特征尺寸,常规的光学光刻工艺失灵,为此必须寻找一种完全崭新的光刻工艺。世界各大半导体公司、大学和研究所那时都努力探索研究这种新工艺,如英特尔公司领导的联合体采用光源为氙气的特别紫外线光刻,其波长小于10纳米;IBM公司采用X射线光刻,其波长为5纳米;美国得克萨斯大学和美国半导体制造技术战略联盟联合采用紫外线光刻刻出80纳米图形,同时采用特殊的刻蚀石英掩膜,朗讯公司采用电子束光刻……这些方法复杂、昂贵,需要大批量生产考验。

  当然,最终经受住考验的那个结果我们这个年代的人已经知晓,但在当时为了实现突破极限、按照摩尔定律推进的“小目标”,整个产业都勇立在原始创新的潮头。

  不同环节共同推进技术发展

  在硅晶上“微雕”一个缩微城市,让每个电子都带着正确的指令飞奔,当然不会是光刻机“独挑大梁”。

  单就芯片的制造设备来说,从大类分包括光刻机、清洗设备、薄膜生长设备、高温固化设备、刻蚀设备等。而从整个生产链条看,材料、设计、软件、元器件等都是这个产业链上不可或缺的环节。例如在细线条的光刻机上已经鲜有声音的日本,在集成电路制作的专用材料上仍占据重要位置。而美国在芯片设计软件、设计技术方面是领先的。

  芯片不断突破极限的发展就是在这个链条上的不同环节上不断地打破瓶颈。例如,自2005年至今,随着晶体管密度越来越大,晶体管电路逐渐接近性能极限,当晶体管越做越小时,就会产生电子等微观粒子通过量子隧道效应穿越位势垒的行为,使晶体管出现漏电现象。

  工程师们正在努力地攻克这些瓶颈,他们创新性地突破了一些难题,但随着技术的不断发展,遇到的问题也会越来越复杂。

  如在元器件方面,2020年12月17日,复旦大学微电子学院发布消息,该院周鹏教授团队针对具有重大需求的3—5纳米节点晶体管技术,验证了双层沟道厚度分别为0.6/1.2纳米的围栅多桥沟道晶体管(GAA,Gate All Around),实现了高驱动电流和低泄漏电流的融合统一,为高性能低功耗电子器件的发展提供了新的技术途径。

  据悉,GAA晶体管有望取代现在集成电路上使用的FinFET(鳍式场效应晶体管),有望解决微缩提升性能难以为继的问题。韩国三星和台积电均已掌握了这一项技术,或将用在3纳米或2纳米芯片中。

  而在芯片基材方面,哈尔滨工业大学韩杰才院士团队,与香港城市大学、美国麻省理工学院等单位合作,在金刚石单晶领域取得重大科研突破。相关研究成果“微纳金刚石单晶的超大均匀拉伸弹性”2021年1月在线发表于《科学》杂志。除了金刚石芯片之外,人们还在探索石墨烯作为芯片的基材。

  再比如光刻机光源方面,清华大学及合作研究团队2月25日在《自然》上发表的论文展示了一种新型粒子加速器光源原理。《自然》

  维持摩尔定律的“动力”在哪里

  关于摩尔定律极限的问题,戈登·摩尔引用了史蒂芬·霍金在硅谷回答同样问题时的言论:“他提出了两个技术极限,即光的极限速度和物质的原子本质。我非常同意他的观点。我们目前已经很接近‘原子’极限(原子的直径在0.01纳米到0.1纳米之间),而芯片的运行速度也越来越快,但离光速还很远。这两个都是最基本的自然法则,我们很难达到和超越这个极限。这也是未来几十年里工程师们需要接受的挑战。”

  那么究竟是什么动力,让整个产业持续创新,共同推动技术逼近自然极限?

  市场无疑是产业发展的原创动力——

  3月1日国新办新闻发布会上,工业和信息化部党组成员、总工程师、新闻发言人田玉龙介绍,2020年我国集成电路销售收入达8848亿元,平均增长率达20%,为同期全球集成电路产业增速的3倍。

  集成电路产业不仅“蛋糕”大,而且“未来可期”,甚至可能会有“弯道超车”的机会。

  “5G通讯可能会带来新一波的需求,除5G通信本身的需求需要不同芯片,5G的应用也会带来新的需求,如物联网等。”周玉梅分析,“人工智能走向普及化也对适用于人工智能的芯片产生更多需求,人工智能与5G的叠加也可能衍生出更多的新应用,对于这些预判,业内认为集成电路仍旧会是一个蓬勃发展的产业。”

  正是有了这样的预判,全球的资本才愿意继续追逐技术的创新,不断地往前推进。

  那么,究竟摩尔定律到什么时候真正“失效”?戈登·摩尔也被无数次地问及这一问题。

  他认为,现在还有其他技术蕴含的发展潜力可能会超过集成电路,例如纳米产品、石墨氮原子层等新材料等。他猜测当攻克某个技术难题付出的成本太高,技术创新本身意义不大,进一步缩小元件尺寸所需的设备的造价非常昂贵时,摩尔定律可能会逐步退出历史舞台。但人们消费电子产品的方式不会有很大变化。当人们的思路跟不上技术发展时,他们会选择停止追逐新功能,不会再追潮流每年购置新产品,而是把旧产品用上三五年,企业也会放缓发展新技术的脚步。

  (记者 张佳星)

 

[ 责编:涂子怡 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 山西运城:花海春色

  • 星空相册丨春分悬日

独家策划

推荐阅读
“遥感是人们在距离和感官上的延伸,是认知地球、探查资源、监测环境的重要技术手段。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、湖南省科学技术协会、中南大学、光明网联合承办。
2026-03-20 09:42
每年春季,花粉过敏会给不少人带来困扰。该检测试剂盒采用微量血清特异性洋白蜡花粉过敏原IgE定量检测,用以辅助诊断,成为目前用于花粉症精准诊断的主要方法。
2026-03-20 09:39
3月18日,记者从新疆电力交易中心有限公司获悉,自2010年启动“疆电外送”以来,新疆累计外送新能源电量已达3043.6亿千瓦时,约占总外送电量的三成。
2026-03-20 09:39
吕小康:从现实语义上看,情感AI既指能够识别、理解、模拟和响应人类情感的人工智能技术,也指基于这类技术设计和开发的情感智能体。吕小康:为引导青年群体健康使用情感AI,还需要进一步加强协同治理,培育积极有益的陪伴型人工智能应用环境。
2026-03-20 09:36
据3月17日农情调度,全国早稻育秧已三成半,同比略快。据介绍,北方冬小麦当前的田管重点是继续促进弱苗转化升级,抓好病虫防控,防范春旱、倒春寒、干热风等灾害。“近日国家启动投放1000余万吨氮磷及复合肥储备,作为国家化肥储备重要承储主体,全国供销合作社系统农资企业积极按要求将储备化肥及时集中投放市场,稳定市场价格。
2026-03-20 09:36
小时候我们背过一句话:万物由原子组成。这一路走来,从质子的异常,到夸克模型的提出,再到量子色动力学和标准模型的建立,人类把物质拆解到了17种基本粒子的层级。曾获国家六部委回国人员成就奖、德国洪堡研究奖、吴有训物理奖、中国科学院优秀研究生导师奖。
2026-03-20 09:35
吴晓民(右一)团队在野外工作。藏羚羊曾广泛分布于高原全境,其漫长的演化史与复杂的种群波动,始终是全球动物保护与演化生物学领域关注的焦点。研究团队还通过生态位模拟,锁定了藏羚羊的生命庇护所——青藏高原北部的可可西里、羌塘高原等区域。
2026-03-19 10:11
通知明确,各城市群应优先选择具备条件的燃料电池汽车、绿色氨醇、氢基化工原料替代、氢冶金以及掺氢燃烧等应用场景开展试点,积极探索氢能创新应用场景,形成“1个燃料电池汽车通用场景+N个工业领域应用场景+X个创新应用场景”的氢能综合应用生态。通知要求,氢能综合应用试点以城市群为主体开展申报,城市群应立足自身资源条件,因地制宜、宜氢则氢,避免各场景一拥而上、低水平重复建设。
2026-03-19 10:10
2026中关村论坛年会将于3月25日至29日在北京举办。
2026-03-19 10:04
日前发布的《中国地热产业发展报告2025》显示,我国地热产业多元化利用格局正在形成。在地热供暖发展带动下,我国地热产业规模长期稳居世界第一。
2026-03-19 10:00
由于土豆块茎外形粗陋、埋于地下,又不见于《圣经》,一度被殖民者视为“魔鬼之根”或带毒之物。另一方面,随着城市扩张与人口增长,粮食压力加剧,土豆因高产、耐寒、适宜在小块土地种植而被人们重视。
2026-03-19 10:00
作者:刘琦 仇焕广(分别系中国人民大学助理教授,辽宁大学党委常委、副校长)  今年《政府工作报告》提出,“推进先进适用农机装备研发应用,打通农业科技推广‘最后一公里’”。
2026-03-19 09:59
为此,生态环境法典针对重点流域、重要生态单元设置专门规范,明确长江、黄河等重点区域一体化保护要求,建立协同机制。生态环境法典第三编第六章“生态退化的预防和治理”,整合水土保持法、防沙治沙法的有关规定,分为水土保持、防沙治沙两节。
2026-03-18 09:38
“‘两弹一星’不是孤立的科技突破,而是面向国家需求‘从0到1’的科技创新。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、安徽省科学技术协会、安徽农业大学、光明网联合承办。
2026-03-18 09:27
对于1型糖尿病患者而言,胰腺中那些负责分泌胰岛素、调节血糖的胰岛β细胞,被自身免疫系统错误地当成了“入侵者”,日复一日地遭受攻击,直至彻底损毁。这3个病例,分别代表中国乃至全球再生医学领域的3个“首次”——世界首例自体、中国首例异体、世界首例青少年再生胰岛移植治疗1型糖尿病。
2026-03-18 09:27
记者3月17日从国家能源局获悉,2026年1至2月,全社会用电量累计16546亿千瓦时,同比增长6.1%。从分产业用电看,第一产业用电量223亿千瓦时,同比增长7.4%;第二产业用电量10279亿千瓦时,同比增长6.3%,其中,工业用电量同比增长6.4%,高技术及装备制造业用电量同比增长10.6%;第三产业用电量3231亿千瓦时,同比增长8.3%,其中,充换电服务业、互联网数据服务业用电量增速分别达到55.1%、46.2%。
2026-03-18 09:26
当前,以家庭农场、农民合作社、龙头企业为代表的新型农业经营主体已成为“强农兴村”的中坚力量,发展成效显著。夯实联农带农长效机制,还需构建多层次、可落地的政策环境,让农业经营主体有动力、有能力、有底气带动小农户共同增收。
2026-03-18 09:26
在成都温江区,骑行爱好者李先生沿着北林绿道前行,穿梭在虫鸣鸟叫、淡淡花香之中。”  一幅幅充满生机的新春图景,正是成都加快建设践行新发展理念的公园城市示范区的生动注脚。
2026-03-18 09:26
分享几个故事,一起走进地球科学的世界。
2026-03-16 18:39
工业和信息化部、财政部、国家发展改革委日前印发《关于开展氢能综合应用试点工作的通知》。通知提出,通过城市群试点,将氢能应用场景由燃料电池汽车向交通、工业等具备条件的多元领域拓展。
2026-03-17 09:35
加载更多