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 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 中朝新鸭绿江大桥开通仪式举行

  • 一箭十星 朱雀二号改进型遥四运载火箭发射成功

独家策划

推荐阅读
“戈壁荒滩老风口,飞沙走石雁不留。托里县老风口蝶变的三部曲,为生态脆弱地区推动高质量发展、树立和践行正确政绩观,提供了深刻启示。树立和践行正确政绩观,就要算大账、算长远账、算整体账,既做显功、也做潜功,把生态优势转化为发展优势、民生福祉。
2026-10-15 09:51
常压下,水到0℃会结冰,这就是人们熟悉的相变,0℃即是相变的临界点。两篇论文的共同通讯作者、宁波东方理工大学助理教授余雪佳,把这个难题比作“在沸水中完好保存一件冰雕”。
2026-10-15 09:49
长久以来,古生物学界与教科书普遍认为琥珀皆源自种子植物(裸子或被子植物),最古老的确切记录定格在美国约3.2亿年前的石炭纪晚期。
2026-10-15 09:48
在芯片制造、航空发动机等高端硬核制造领域,技术迭代具有长周期、累积性、阶梯式特征,遵循循序渐进、层层突破的线性攻关规律。新征程上,持续深耕创新生态建设、迭代升级现代化创新体系,必能培育形成扎根中国、联通世界、内生增长、开放共生的创新新格局。
2026-10-15 09:46
受困于“小散弱”的格局,长期以来,我国科技期刊在国际学术传播体系中缺少属于自己的“拳头产品”与平台话语权——“在精品化发展方面,经过70余年积淀,我国已形成以《中国科学》《科学通报》《国家科学评论》等刊群为代表的高水平期刊方阵。
2026-10-15 09:45
AI时代,科研的“源头活水”是什么?不是算力,不是数据,而是人对未知世界的好奇与追问。
2026-10-14 11:28
截至8月末,三家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数7.04亿户,比上年末净增1365万户;三家基础电信企业及中国广电的移动电话用户总数18.49亿户,其中5G移动电话用户13.11亿户。
2026-10-14 09:34
自然资源部会同国家发展改革委12日发布《矿产资源目录》。自然资源部矿产资源保护监督司负责人表示,矿产资源目录是矿产资源管理制度的重要基础,是制定矿产资源规划、实施矿业权管理、规范矿产资源勘查开采行为、征缴矿产资源税费、制定产业政策等工作的依据。
2026-10-14 09:40
与共康村相邻的巴达村,是第一批参与试种的村,也是西藏首个高海拔水稻实测亩产破千斤的村子,村民把“海拔3175米种水稻”写进村史。一粒水稻种子,不只改写了亩产数字,更改变了“西藏水稻只能在察隅、墨脱海拔1500米以下种植”的历史,为高原水稻纳入地方主粮增添可能。
2026-10-14 09:41
如今,AI正改变许多行业的底层逻辑,固守单一思维模式将面临严峻挑战,文理兼备、跨界融合才是稀缺能力——既有理科生的技术思维和逻辑能力,又有文科生的人文洞察和情感素养。未来更有竞争力的,可能不是最典型的文科生或理科生,而是既有专业深度,又能跨学科解决问题的人。
2026-10-14 09:48
不久前,在海南三亚崖州湾科技城,一场名为“青年π”的海洋主题对话临海开讲。高频下潜试出的不只有装备可靠性,也不断刷新人们对深海的认识。同一园区,由哈尔滨工程大学南海研究院孵化的海南水之声海洋科技有限公司,正给海洋装备搭水下“Wi-Fi”。
2026-10-14 09:49
目前各地正在开展流感疫苗接种。今年开始,国家对农村地区“一老一小”重点人群实施免费接种等相关支持性政策。为什么要接种流感疫苗?去年接种过,今年是否还需要接种?到哪里接种?
2026-10-13 10:03
我国城市盲道总里程以万公里计,公共场所无障碍设施持续铺开。数字世界的“盲道”畅通起来。精神文化的“视界”也在扩大。中国传媒大学师生发起的“光明影院”项目,近十年间每年制作上百部无障碍电影,把电影送到视障朋友耳边,今年还走进联合国教科文组织总部举办专场放映。
2026-10-13 10:01
记者近期从中国互联网络信息中心获悉:截至今年上半年,我国生成式人工智能用户规模超7亿人,普及率超50%。
2026-10-13 09:58
高校辅导员队伍建设要把握高校思政工作的“变”与“不变”,着眼于增强辅导员对人工智能的趋势感知力、技术理解力、实践创新力和伦理判断力,将政策理念、形势挑战、技术发展、实践案例相结合,精心设计课程,切实增强人工智能赋能质效,全时空陪伴“数字一代”。
2026-10-13 09:57
今年10月12日,是我国首批国家公园设立五周年。五年来,各国家公园统筹推进山水林田湖草沙一体化保护和系统治理,实施栖息地修复、生态廊道连通、人为活动管控等系列举措,区域生态本底持续巩固。
2026-10-13 09:51
巴山蜀水,苍茫山林间,大熊猫安然栖息,川金丝猴、珙桐等同域珍稀动植物共生于此。多年前,栖息地面积缩减一度令大熊猫濒临灭绝;圈养大熊猫也长期面临繁殖难、育幼难等难题,维系大熊猫种群数量极为不易。
2026-10-12 10:09
近年来,河北省唐山市丰南区积极调整农业结构,引导农户发展特色农业,通过“南果北移”“南苗北育”模式,引进优良甘蔗品种种植,促进农业增效农民增收。图为10月11日,唐山市丰南区黄各庄镇宣庄六街的农民在田间收获甘蔗。
2026-10-12 10:08
加拿大外长阿南德也表示,北极在关键矿产、能源、交通等方面拥有巨大潜力,但关键在于要让“当地人受益”。赵隆指出,特朗普2025年重返白宫后美国再度退出《巴黎协定》,加深了其与盟友在气候政策上的分歧。
2026-10-12 10:07
6时30分起,各类等待审核、签发的预报预警材料堆满了陈涛的案头;一个半小时后,全国天气会商准时开始,陈涛快步走上首席预报发言岗位——多方预报意见不断交汇,最终产生预报结论。
2026-10-12 10:07
加载更多