1.摩爾定律是否會(huì)永遠(yuǎn)生效

75年前，人們發(fā)明了晶體管，此后不久集成電路（IC）誕生了晶體管特征尺寸逐漸變小，隨之而來(lái)的是更便宜的價(jià)格，這就是著名的摩爾定律（Moore’s law）今天，復(fù)雜的處理器芯片包含了超過(guò)1000億個(gè)晶體管，但尺寸減?。?。

2.摩爾定律會(huì)不會(huì)終結(jié)

scaling）的速度已經(jīng)放緩，它也不再是提高芯片特定應(yīng)用性能的唯一甚至主要的姓名筆畫數(shù)查詢設(shè)計(jì)目標(biāo)摩爾定律將如何進(jìn)一步發(fā)展？諸如三維（3D）集成的新設(shè)計(jì)方法將專注于提高信息處理速度，而不僅是提高芯片上晶體管的密度盡管摩爾定律預(yù)測(cè)了每個(gè)晶體管成本下降的速度，但對(duì)于晶體管的尺寸，人們普遍認(rèn)為是二維（2D）芯片陣列的面積大小或“占地面積”（footprint）。

3.摩爾定律會(huì)一直有效嗎?

在過(guò)去的75年中，隨著特征尺寸從微米級(jí)減少到納米級(jí)，新制造技術(shù)實(shí)施過(guò)程中的問(wèn)題多次引發(fā)了人們對(duì)“摩爾定律終結(jié)”的擔(dān)憂20年前，人們對(duì)幾種難以擴(kuò)展的技術(shù)發(fā)展普遍持悲觀態(tài)度即便在此背景下，M.S.L.預(yù)測(cè)，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）在所謂的65nm節(jié)點(diǎn)以下的縮放（在2003年是最先進(jìn)的）不會(huì)姓名筆畫數(shù)查詢減慢，而是會(huì)在達(dá)到縮放限制之前的至少十年內(nèi)保持不變。

4.摩爾定律會(huì)失效嗎

事實(shí)上，從2003年的每個(gè)芯片約1億個(gè)晶體管持續(xù)發(fā)展到到今天，每個(gè)芯片多達(dá)1000億個(gè)晶體管一種方法是通過(guò)提升開關(guān)電流比保證實(shí)際操作，并抑制漏電流，以減少功率浪費(fèi)2003年，應(yīng)變硅（strainedsilicon）被引入并作為溝道材料，通過(guò)提高電子速度來(lái)增加開態(tài)電流。

5.摩爾定律會(huì)一直延續(xù)下去嗎?

2004年，具有高介電常數(shù)的柵極絕緣體降低了關(guān)態(tài)的漏電流2011年，F(xiàn)inFET（一種非平面晶體管結(jié)構(gòu)）被引入商業(yè)化集成電路中，通過(guò)柵電極優(yōu)化增加了對(duì)能量勢(shì)壘的靜電控制（從而提高了開關(guān)電流比）進(jìn)一步改善柵極靜電控制的“。

6.摩爾定姓名筆畫數(shù)查詢律還能維持多久

全方位柵極晶體管”（Gate all-around transistors）目前正在開發(fā)中可以制造的晶體管尺寸受到圖案化和蝕刻的限制，圖案化是通過(guò)一種被稱為光刻（photolithography）的工藝完成的，在光刻過(guò)程中，光敏聚合物在芯片上形成掩模用于蝕刻，圖形化的最小尺寸由所用光的波長(zhǎng)決定。

7.摩爾定律還適用嗎

最近出現(xiàn)的極紫外光刻（EUV）使得摩爾定律有可能延續(xù)到比7納米更小的節(jié)點(diǎn)處二維（2D）納米電子學(xué)、三維（3D）超規(guī)模集成和功能化集成都可以擴(kuò)展摩爾定律，但都面臨實(shí)質(zhì)性的挑戰(zhàn)和根本性限制。

8.摩爾定律過(guò)時(shí)了嗎

芯片上晶體管的數(shù)量仍在增加，但由于更小的晶體管功能受限，晶體管數(shù)姓名筆畫數(shù)查詢量增加的速度已經(jīng)明顯放緩具體來(lái)說(shuō)，溝道(源極和漏極之間的區(qū)域，柵極作為開關(guān)) 的長(zhǎng)度現(xiàn)在是10納米，在更短的通道長(zhǎng)度下，量子隧穿效應(yīng)（quantum-mechanical tunneling

9.摩爾定律是否一直生效?

）會(huì)使晶體管性能衰減，關(guān)鍵的性能指標(biāo)，如開態(tài)電流(應(yīng)該盡可能高，以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行)、關(guān)態(tài)電流(應(yīng)該盡可能低，以盡量減少待機(jī)功率)和電源電壓(應(yīng)該低，以盡量減少功耗)都將同時(shí)降低硅MOSFET現(xiàn)在已經(jīng)是盡可能小的尺寸了，而二維芯片的面積已經(jīng)是做到盡可能大的尺寸了，所以必須找到提高性能的新方法。

10.摩爾定律會(huì)不會(huì)失效?為什么?

通過(guò)從通用商品芯片向特定功能芯片的轉(zhuǎn)變，其性能得到了明顯提高姓名筆畫數(shù)查詢例如，硬件加速將特定的任務(wù)交給專門的芯片，如圖形處理單元或特定應(yīng)用的集成電路像蘋果這樣的公司現(xiàn)在已經(jīng)在通過(guò)這樣的思路設(shè)計(jì)芯片來(lái)滿足他們特定的要求，所有主要的汽車制造商也會(huì)這樣做。

計(jì)算是限制機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展的因素，谷歌等公司也在設(shè)計(jì)自己的人工智能(AI)加速器芯片定制化芯片設(shè)計(jì)可以提高性能的效果十分明顯，但就像芯片制造廠家(晶圓廠)的成本增加一樣(從2000年的10億美元增加到200億美元)，。

先進(jìn)設(shè)計(jì)的成本也增加了一個(gè)尖端芯片的設(shè)計(jì)成本可能高達(dá)5億美元，需要一個(gè)1000名工程師組成的團(tuán)隊(duì)降低尖端定制芯片設(shè)計(jì)的成本(可能通過(guò)使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù))將是下一個(gè)電子時(shí)代的關(guān)鍵挑戰(zhàn)芯片行業(yè)持續(xù)的進(jìn)步還需要基礎(chǔ)技姓名筆畫數(shù)查詢術(shù)的發(fā)展。

盡管芯片上的晶體管數(shù)量急劇增加(通過(guò)減小它們的尺寸和增加芯片面積)，但直到最近，設(shè)計(jì)中的一個(gè)方面基本沒(méi)有改變——那就是單個(gè)芯片與其他芯片和其他組件(如電感器)在電路板上的橫向封裝與組合印刷向芯片上和芯片外發(fā)送信號(hào)延遲和功耗都會(huì)增加。

一個(gè)新興的設(shè)計(jì)理念是利用第三個(gè)維度(垂直維度)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)億級(jí)的集成(TSI)，將數(shù)萬(wàn)億晶體管集成到單片或堆疊芯片中，并以每秒每毫米太比特的通信速度進(jìn)行電學(xué)或光學(xué)互連(每毫米指芯片之間的通信鏈路距離)例如，一個(gè)3D NAND閃存器件(基于NAND邏輯門并在斷電時(shí)保持其狀態(tài))可以有近200層和5000億個(gè)存儲(chǔ)晶體管。

新興的邏輯晶體管采用新的溝道材料(如過(guò)渡金屬二硫姓名筆畫數(shù)查詢代化物和氧化銦)，可以在低溫下加工并嵌入互連堆棧中，提供了進(jìn)一步改進(jìn)的窗口第三維度也打開了邏輯、內(nèi)存和功率晶體管垂直異構(gòu)集成的可能性通過(guò)穿孔工藝，垂直連接芯片的金屬線，芯片可以堆疊在一起，使它們?cè)谖锢砩辖咏?，可以將信?hào)延遲。

最小化并降低功耗垂直堆疊的邏輯和存儲(chǔ)芯片也使新的計(jì)算范式成為可能，如“內(nèi)存計(jì)算”——“compute-in-memory.”單片3D集成電路將由有源器件層以及連接它們的金屬線組成，如2D邏輯晶體管、磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和鐵電場(chǎng)效應(yīng)管。

最近封裝技術(shù)有了新的進(jìn)展，如硅中介層和多芯片集成——在3D芯片和襯底之間，創(chuàng)造了更密集的橫向互連和更快的芯片間通信先進(jìn)的封裝通過(guò)并行集成將邏輯、姓名筆畫數(shù)查詢內(nèi)存、電源管理、通信和光電結(jié)合在一起，其可以與堆疊或單片3D集成電路相媲美。

單片3D集成要求生長(zhǎng)或沉積步驟不影響已經(jīng)處理的層例如，嵌入互連堆棧中的晶體管必須在足夠低的溫度下沉積，以免影響下面Si晶體管的摻雜特性除非開發(fā)出特殊的工藝，所需要的材料往往不兼容堆疊已經(jīng)處理過(guò)的2D芯片以實(shí)現(xiàn)3D系統(tǒng)有其自身在材料和加工上的挑戰(zhàn)，比如在1~5微米距離上保持互連對(duì)齊。

Si高低壓邏輯和存儲(chǔ)晶體管、復(fù)合半導(dǎo)體功率和高頻晶體管等組件的異質(zhì)集成，帶來(lái)了另一組復(fù)雜的集成挑戰(zhàn)晶體管在工作時(shí)不可避免地產(chǎn)生熱量，散熱是當(dāng)今電子器件的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題事實(shí)上，在異構(gòu)IC中，邏輯、存儲(chǔ)器、功率晶體管和電感之間的。

熱串?dāng)_（ ther姓名筆畫數(shù)查詢mal cross-talk ）給器件設(shè)計(jì)帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)當(dāng)數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的晶體管被靠近放置時(shí)，散去熱量的新方法(也許是模仿生物體的溫度調(diào)節(jié))和熱感知設(shè)計(jì)將變得至關(guān)重要電子系統(tǒng)必須保證一段時(shí)間的。

可靠性，通常是10年，也有些應(yīng)用需要幾十年的可靠性要確保一個(gè)擁有1000億個(gè)晶體管的集成電只能有1-10個(gè)晶體管發(fā)生故障，就需要預(yù)測(cè)千萬(wàn)億(~ 10^18)個(gè)晶體管的可靠性實(shí)際上，可靠性一般是通過(guò)不超過(guò)幾千個(gè)晶體管的。

短期加速測(cè)試來(lái)確定的因此，這些新系統(tǒng)的“磨損”和可靠性物理需要以前所未有的精確度來(lái)理解當(dāng)如此多的設(shè)備相互連接并放置在很近的地方時(shí)，新的現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)，必須對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行管理或利用未來(lái)的萬(wàn)億姓名筆畫數(shù)查詢級(jí)系統(tǒng)將從根本上不同于今天的千兆級(jí)系統(tǒng)，因?yàn)槔斫庖粋€(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建模塊并不能直接幫助我們理解這些模塊之間是如何相互作用的——可能會(huì)有新的現(xiàn)象涌現(xiàn)。

芯片設(shè)計(jì)已經(jīng)是如此復(fù)雜而昂貴，但用于放置3D設(shè)計(jì)和它們之間的互連算法或工具還不存在這些設(shè)計(jì)工具必須模擬工藝和封裝集成的復(fù)雜性、3D IC之間的熱串?dāng)_以及封裝系統(tǒng)的特定操作可變性和可靠性新材料和新加工技術(shù)在研究中被開發(fā)出來(lái)后必須轉(zhuǎn)化為

大規(guī)模生產(chǎn)將研究級(jí)設(shè)備取得的進(jìn)展轉(zhuǎn)化到目前使用制造設(shè)備的大規(guī)模制造，是實(shí)驗(yàn)室到晶圓廠轉(zhuǎn)化所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)（“l(fā)ab to fab”）科研界將需要更先進(jìn)的制造設(shè)備，并且需要最大化縮短學(xué)習(xí)的構(gòu)思-操作-分析的周期（“conceiv姓名筆畫數(shù)查詢e-conduct-analyze”）。

熱問(wèn)題（Thermal issues）將成為萬(wàn)億級(jí)3D集成芯片發(fā)展的限制，就像隧道效應(yīng)阻礙了2D縮放一樣但這并不意味著摩爾定律的終結(jié)計(jì)算的目標(biāo)不是每秒進(jìn)行的運(yùn)算，而是每秒處理的信息在這方面，生物學(xué)提供了一個(gè)指南。

人類的感官在將信息傳送到大腦之前先在局部處理信息增強(qiáng)與模擬世界接口的邊緣傳感能力，輔以本地內(nèi)存和數(shù)據(jù)處理(邊緣分析)，可以防止數(shù)據(jù)泛濫進(jìn)而壓垮計(jì)算機(jī)電子學(xué)正處于一個(gè)拐點(diǎn)（Inflection point

）75年來(lái)，人們一直有可能把晶體管做得更小，但這不會(huì)成為未來(lái)幾十年進(jìn)步的動(dòng)力如果摩爾定律被理解為是指每個(gè)集成系統(tǒng)中晶體管數(shù)量的增加(不一定是每個(gè)芯姓名筆畫數(shù)查詢片)，那么摩爾定律就不會(huì)終結(jié)晶體管數(shù)量的增加不會(huì)通過(guò)縮小它們的體積來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)將它們垂直堆疊或橫向組合在復(fù)雜的封裝中，最終形成單片3D芯片并增加功能。

從納米電子學(xué)(專注于降低晶體管尺寸)到萬(wàn)億級(jí)電子學(xué)(由增加晶體管數(shù)量和相關(guān)功能驅(qū)動(dòng))的轉(zhuǎn)變定義了范式轉(zhuǎn)變和未來(lái)的核心研究挑戰(zhàn)它需要在材料、設(shè)備、加工以及人類有史以來(lái)最復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造方面取得根本性的進(jìn)步。

總有一天，電子隧穿和“熱瓶頸”將成為3D集成發(fā)展的限制（electrical tunneling and thermal bottleneck）在此之前，隨著研究人員解決這些異常復(fù)雜的電子系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，摩爾定律可能會(huì)繼續(xù)存在。

文獻(xiàn)信息：Lu姓名筆畫數(shù)查詢ndstrom M S, Alam M A, 2022:378,722-723. 編譯：暮大河轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)不代表中科院物理所立場(chǎng)如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原公眾號(hào)來(lái)源：熱知編輯：老頭