延续摩尔定律或绕道都困难重重：但半导体将在中国超越摩尔定律

摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈，其核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能每隔两年翻一倍。 摩尔定律是内行人摩尔的经验之谈，汉译名为“定律”，但并非自然科学定律，它一定程度揭示了信息技术进步的速度。

一位名为戈登 E 摩尔的年轻工程师在认真审视了他所从事的这个羽翼初丰的行业后，预言了未来10年内将出现的大事件。在专业杂志《电子学》(Electronics)上刊登的一篇长达4页的文章中，摩尔对家庭计算机、手机和汽车自动控制系统的未来作出了预言。他在文中写道，集成电路上的电子元件将会以最经济的方式整合在一起，并且元件的数目将会每年稳定递增，而这种现象将不断地促进现代科学出现奇迹。

10年过后，集成电路的指数级增长——后来被称为“摩尔定律”——仍没有终止的迹象。在今天看来，这一定律描述了一段非凡的、长达50年之久的辉煌时光。在这段时间里，计算机、个人电子设备和传感器层出不穷。怎样夸大摩尔定律对人类现代生活的影响都不过分。没有摩尔定律，现在的我们就不可能坐飞机出行，打电话沟通，甚至不可能启动洗碗机。没有摩尔定律，我们也不可能发现希格斯玻色子或创造出互联网。

然而，摩尔定律究竟所言何物?它何以如此成功?它是否论证了不可阻挡的科技发展趋势?或者，它是否只是反映了工程学历史上的一段独特时期?正是在这段时间里，凭借硅晶的特殊属性和一连串稳步的工程创新，我们才获得了这几十年的巨大进步。

3nm被公认为已经达到摩尔定律的物理极限。摩尔定律问世已有40余年，早在20世纪60年代初期，一根晶体管要价高达10美元，随着科技技术的突破，晶体管也越来越小。但是万物都是有极限的，芯片也不例外。一旦芯片的线条宽度达到纳米(10^-9米)数量级时，就会引发一系列高热效应。

物联网蕴含巨大的机遇，感知信息技术主要以先进传感器技术为核心，在其中起到核心作用。随着多元技术融合创新的发展趋势，“超越摩尔”领域的感知信息技术面临着更广阔的市场空间。在国家相关部门及上海市科委的指导与关怀下，由上海微技术工业研究院发起成立了“超越摩尔”产业技术创新联盟。联盟聚焦于“超越摩尔”技术领域，帮助推动核心产业的发展，促进多元化技术融合。

联盟成员包括传感器(惯性、声学、光学、压力、磁、温湿度、生化等)、模拟器件、射频器件、光电器件、功率器件、微能源器件、生物医疗、微流体器件等的研发与设计企业，以及上游的设计工具、设备与材料、下游的制造及封装企业当前半导体已经成为全球电子产业的命脉，但产业的基本规律——摩尔定律正逼近物理、技术和成本的极限，在6月9至11日的2021世界半导体大会暨南京国际半导体博览会上，产业界对此进行探讨，并分化出两条路径：延续摩尔定律或者绕道，但两者都困难重重。

中国芯片行业掀起了一股热潮，在过去一年内，中国新注册成立的芯片企业就达到了2万家以上。越来越多的资本都开始聚焦芯片行业，再加上台积电，三星都在冲刺高端5nm，3nm，为了避免落后，必须全力以赴。

而这时候，一些和主流观点不同的声音传了出来。中国工程院院士吴汉明认为，相比于7nm芯片，55nm才是关键。55nm在属于成熟工艺，而7nm是高端制程，据悉中芯国际曾计划试产7nm，相信已经在7nm取得突破。难道7nm是其次，55nm才是应该重点发展的领域吗?

还有对光刻机设备，吴汉明也有一番自己的看法。其表示一台EUV光刻机的设备，是5000家供应商，包含了美国、英国、日本等国家的顶级技术，拥有10万个零部件。靠一个国家地区去制造是不现实的。光刻机的看法和一些人的观点可能存在分歧。相信大部分认为应该全力冲刺7nm，5nm。EUV光刻机就算再难，也要投入所有的生产力量去攻克。

中国科学院院士毛军发在会上表示，芯片现在有两条路线，一个是延续摩尔定律，一个是绕道而行。

李珂认为，简单来说，延续摩尔定律，是在现有的框架下，通过提高设计、制造、封装上的技术，把微电子的性能挖掘用尽。而绕道而行，则是迈过硅、微电子技术这些框架，利用基础科学形成一个颠覆性的技术体系。

当前，半导体大厂正通过工艺、结构、材料的精进做成新型器件，使得技术能够沿着摩尔定律继续往前走，但在这条路上，产业要克服的技术和成本难题有很多。

潘晓明表示，仅仅通过增强工艺来延续摩尔定律是不够的，还应该寻求算力方面的创新。通常制程技术的演进，占性能提升因素的40%，设计优化和平台优化占据60%。当前AMD正通过微架构上的创新，争取在每一代CPU和GPU架构上实现性能的提升，对于被应用到闪存上的3D堆叠技术，AMD将其应用到CPU上，同时，公司还在芯片设计上寻求突破。“但是，性能提升幅度是有限的，尤其面对人工智能、机器学习、深度学习等基础应用的爆发，对算力、性能都要求极高，通用CPU的表现相对受到限制”，潘晓明称。

5G、AIoT、高性能计算(HPC)、汽车电子等领域推动半导体市场高速增长，也为封装产业带来成长动能。尤其后摩尔时代不再单纯依赖工艺提升芯片性能，使异构集成需求激增，系统级封装(SiP)技术得到广泛采用。先进封装技术持续演进，“小芯片(Chiplet)”的发展理念又被提出，市场新的挑战也开始出现……

迄今为止，摩尔定律“问世”已然五十载有余，在半导体芯片制程工艺水平飞速提升的同时，人们不禁有些疑问，半导体芯片单位面积可集成的元件数量最终将达到多少?摩尔定律会一直存在下去吗?

其实，半导体芯片单位面积可集成的元件数量最终将达到多少这个问题并没有明确的答案，但据专家预测，半导体芯片制程工艺的物理极限为2-3nm，以此推算，摩尔定律似乎也只能“存活”10年之久。

事实上，自摩尔定律被推出后，其存亡时间一直是业界所争论不休的话题。以如今来说，当半导体行业无数业内人士发声表示，摩尔定律将消亡时，科技界却爆出一则惊人消息：1nm制程工艺“问世”。这则消息是由劳伦斯伯克利国家实验室传出的，其实验室研究人员阿里·加维表示：“此项研究说明，我们的晶体管将不再局限5nm栅极，如果使用适当的半导体材料，摩尔定律将继续有效。”

从目前来看，似乎摩尔定律的消亡直接取决于半导体芯片制程工艺的物理极限。如果半导体芯片制程工艺未达极限，那么摩尔定律将一直“活着”。其实，摩尔定律虽然源于半导体行业，但并不会终止于半导体行业，其思想与观点奠定了所有现代技术丰富的基础，其创新的相关产品已经完美的与我们生活融合在一起。未来，它将代表一种趋势一直存在于物联网、医疗以及教育等各个领域。