量子力学、光刻机、晶体管……摩尔定律背后的战斗

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文｜X科技实验室

你能相信吗？你几年前手机中的芯片，与美国阿波罗登月计划中使用的计算机相比，运算速度超出了1.2亿倍。

更夸张的事实是，这现象在阿波罗11登月飞船发射前4年，就已经被一位大神的预言说中了，就是大名鼎鼎的“摩尔定律”，它支配了半导体行业接近60年时间。

然而最近几年，以英伟达老板黄仁勋为代表的很多人却认为，伟大的摩尔定律即将失效。

摩尔定律失效会意味着什么？

举个最简单的例子，在近几年内，我们几乎不可能真正把现在PC大作级游戏画面搬到手机上。

而VR眼镜也将是现在这副又大又沉，捂得你脑门儿发汗的形态，很难有所突破，更别提实现元宇宙画下的大饼了。

这里是对一切未知感到好奇的X科技实验室，摩尔定律真的会失效吗？

这是个复杂问题，摩尔定律并不是一套物理定律，而是英特尔这样的大公司定义并长期践行的一套经济规则。

现在流传最广的摩尔定律，有两种表述方式：“集成电路上晶体管数量每两年翻一倍”以及“集成电路性能每18个月翻一倍。”

说到底，芯片其实都是一坨场效应晶体管。

每个晶体管由源极（Source）、漏极（Drain）和栅极（Gate）三极组成。

用最简单的话来解释晶体管的工作原理，栅极开，电流通过，关，电流断掉。无论是用手机拍照片，还是开团，本质上都是由无数个晶体管放行或阻断电流，从而完成了芯片的运算过程。

我们更熟悉的“7nm”、“5nm”等等数字，自然也与晶体管相关，但它指的并不是晶体管的尺寸，而是在晶体管中某个最小特征的长度。

不难理解的是，制程数字越小，单个晶体管体积越小，同样体积的芯片上晶体管数量也就可以越多。

17年苹果10nm工艺的A11芯片有43亿晶体管，2年后7nm的A13芯片是85亿。到21年，5nm的A15上的晶体管数量高达150亿。

这是人类科技的进步，也是摩尔定律的胜利。这样看来，只要晶体管体积能不断缩小，摩尔定律似乎就能一直有效下去，那为什么会有人对摩尔定律的未来产生怀疑呢？

所谓遇事不决量子力学，这事真得从量子力学说起。

量子力学中有个概念叫“量子隧穿效应”，具体理论不展开，只需要记住一个类比。

微观世界中，电子等微观粒子往往会如同崂山道士一般，无视本应能挡住它的能量墙，穿墙而过。在晶体管中，当制程足够小时，穿墙过去的电子会引发漏电，进而导致栅极的损毁。

在传统的平面场效应晶体管中，当制程小于28nm时，漏电电流已经会影响到芯片的良品率，摩尔定律在20nm制程时就险些难以为继。

多亏华人学者胡正明教授在1999年提出的鳍式场效应晶体管FinFET，用栅极三面环绕沟道区域，更好地控制电流，防止电流泄露。

量产芯片在2013年下半年16/14nm节点时正式引入FinFET，到今天我们用的5nm制程芯片，使用的仍然是FinFET。

那么，FinFET在1nm以后还好使吗？其实不用1nm，在5nm之后的3nm节点，半导体巨头们已经开始尝试更新的全环栅晶体管GAA技术。

某种意义上说，摩尔定律在未来几年是否有效，很大程度上取决于GAA或其它新技术在量产上的应用，是否能达到预期。总之，现在所有关于摩尔定律的悲观，说到底，都是对人类现有科技挑战物理极限的悲观。

另外还有一个潜在的限制因素，就是老生常谈的光刻机技术，在未来能否满足摩尔定律的要求。

除了很多朋友都知道的ASML，世界上还在造光刻机的公司，是日本光学巨头佳能和尼康。

但这两家如今在光刻机领域都不是ASML的对手，其中一个原因是，十多年前行业里曾有过一种判断：光刻机技术很难满足10nm甚至是20nm以下的制程工艺，摩尔定律即将失效。

简单说，光刻机就是用光在硅片上刻电路，或者说刻晶体管。这一原理下，光源波长越短，分辨率就越高，能满足的制程数字也就越小。而制造短波光源的难度，非常之高。

比如上一代深紫外光DUV光刻机中的ArF光源，就要用氩（Ar）这种几乎不与任何物质发生反应的惰性气体，去与氧化性最强的氟（F）反应，产生不稳定的ArF分子，才能激发出深紫外光。这样折腾一番，极限也才能制作出7nm工艺的芯片。

想突破7nm，就需要产生相比之下波长还要短十几倍的极紫外光（EUV）。制造这样的光源，需要用激光光源两次击打自由下落的直径20微米的金属液滴。

这是什么概念呢？相当于用乒乓球击打空中的苍蝇，两次。从上一代的DUV光刻到EUV光刻的研发过程，是一场不知道结果的豪赌，困难重重，连尼康和佳能这样的巨头都没能跟上。

如今能造EUV光刻机的，有且仅有荷兰ASML一家。EUV光刻技术可以支撑半导体制程走多远？下一次技术演化，是否能赶在摩尔定律失效之前来临？恐怕没人敢对这些问题打包票。

在物理极限和光刻机技术两方面因素之外，科技公司是否有动力去迎合摩尔定律，也算是个问题。

芯片制程的进一步压缩，对手机和VR眼镜这种看重便携性与功耗的设备意义重大，但对于PC等桌面或企业级设备来说，一味追求先进制程，并不一定会在商业上带来对等的回报。

像基本盘在PC端而非移动端的英特尔，虽然在14nm和10nm节点卡了很多年，但也没太影响它们的营收。

说这么多，最后你可能还是想问，摩尔定律真的会失效吗？短时间内，玩原神手机还会烫手吗？

通过刚才的讲述，我们会发现一个事实：过去20年甚至更长的时间中，唱衰摩尔定律的声音一直存在，然而每一次，都会有新技术出现，为摩尔定律续命。

硅谷芯片大牛，在苹果、AMD、英特尔都领导过处理器设计的Jim Keller曾表达过：

摩尔定律能延续几十年，背后是千千万万的创新结合在一起才实现的。

读到这段话时，我也不由得自省，当我们谈论科技产业时，经常会被个人有限的知识一叶障目，对自己经验外广阔的知识世界，以及某个实验室里正在发生的技术进步一无所知，或者视而不见，于是对元宇宙、智能汽车、区块链等等新技术，抱持了过分悲观与怀疑的态度呢？

所以，我愿意相信摩尔定律能够一直生效，也希望有更多的中国的企业和研发团队能在其中起到关键的作用，另外，只要三体人发出的智子还没有到达地球，人类的科学研究还是充满着无限可能的，不是吗？

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