摩尔定律及其对半导体发展的负面影响

1965年4月19日，在仙童半导体公司任职的工程师摩尔发表文章，预言每年半导体芯片上集成的晶体管和电阻的数量将增加一倍。这就是后人熟知的“摩尔定律”。

1975年，摩尔在国际会议上的论文，根据实际情况对摩尔定律进行了修正。预言每两年半导体芯片上集成的晶体管和电阻的数量将增加一倍。

现在大家普遍流行的说法是每18个月增加一倍。这意味着什么？意味着相同面积的晶圆下生产同样规格的集成电路，随着制程技术的进步，每隔一年半（也就是18个月），集成电路的产出量就可增加一倍。从成本的角度大致估算，也就是说每隔一年半，成本就可以降低50%，折算到每年成本可平均降低30%多。按照这个说法，摩尔定律意味着集成电路技术每隔两年多不到三年就要上一个台阶。

摩尔定律是用于简单评估半导体技术进展的经验法则。无论是一年一倍或者两年一倍，甚至是一年半一倍，其实多少个精确的月份并不重要，重要的是它意味着集成电路的制程技术都是在不断地以一条直线，甚至是指数的方式高歌猛进、向前发展。

集成电路的制程技术（生产）确实更迭得太快。集成电路的种类也有很多种，可以做成DSP和FPGA，也可以做成单片机和SOC，甚至还可以做成航天专用芯片。空调控制器可以有专用集成电路，汽车的电源控制、自动驾驶也都可以有专用集成电路。集成电路的开发技术（应用开发）可以应用的面也很广，FPGA可以做监控，做算法，做智能控制，可以用在工业的各个领域。这些领域是可以容纳非常多工程师的，而且只要学会了一种硬件描述语言，在一个领域开发出了产品（比如人工智能监控的FPGA算法），光是维护这个品类的产品就可以活很多年，而且活得很好。

摩尔定律这样一种隔一段时间密度翻倍的方式，让人感到很不安。毕竟，芯片内部器件的密度不能超越量子力学的极限。(www.xing528.com)

全球芯片代工的龙头企业包括台积电、三星、联发科等企业。在2020年8月的时候，台积电已经在谋划5nm的芯片工艺。芯片工艺里的多少nm指的是晶体管的宽度，或者叫线宽。工艺越高级，线宽越小，单位面积可以排列的晶体管的数目就越多。同样尺寸的晶圆就可以造出更多的芯片。芯片尺寸越小，做出来的设备就越紧凑，功耗就越低。用惯了小巧灵活智能手机的人是绝对不愿意回过头去使用20世纪90年代的大哥大就是这么个道理。其他的国内的企业目前全自主的水平大概还在28nm的工艺。中芯国际包含美国技术的工艺能做到14nm。从28nm、14nm、7nm，一直到5nm，领头的台积电已经堵在5nm的地方，越是往前走，路越难走。

过去，摩尔定律的说法是每5年增长10倍，每10年增长100倍。现在，摩尔定律已经远远达不到这样的增长速度，每年只能增长可怜的几个百分点，10年时间才能增长2倍左右。摩尔定律事实上已经无效了。摩尔定律无效带来的直接后果就是研发费用和芯片厂建造成本成几何级数增长。90nm制程时，建厂和设备采购的成本也就是一百亿元人民币。到了3nm制程阶段，研发费用、建厂和设备采购等资本开支达到了万亿人民币的级别。

这为中芯国际等国内代工企业打开了一段很好的追赶超越的时间窗口。

但是你要相信，这世间有人、有资本、有贪婪的欲望的存在。所以，迟早资本的力量会冲毁这种芯片制程堰塞湖。很大的可能是用一种新的技术来取代现有的半导体集成电路技术。想想蒸汽机是如何颠覆马车的，想想数字相机是如何颠覆胶片照相机的。如果还仅仅是在目前代工工艺5nm的地方修修补补，是很难跨越过去的。得需要一种完全创新和颠覆的思路。半导体的存在主要还是要解决实际过程中电磁波信号的放大。结合前面我们提到的半导体pn结是如何实现电流放大的，如果有一种技术，比如光，能通过某种形式进行放大，同时体积又能像半导体工艺这般做得如此集成，那它就是一种突破。

原子的尺寸大概在0.1nm。历史上任何技术的颠覆都会带来性能至少上一到两个台阶。蒸汽机火车是不是比马车快很多？数字相机是不是比胶片相机性能好几百倍以上？要在目前5nm的工艺性能上一个台阶，就几乎到达原子的尺度了。所以一种对半导体集成工艺技术的颠覆也许会来自于物理领域的电子显微镜、隧道显微镜等能对原子分子进行搬运操作的技术领域。