摩尔定律面临的两个问题
2020-04-04
14:00:20
来源: 半导体行业观察
戈登·摩尔在1965年提出摩尔定律时，其内容为半导体芯片上集成的晶体管数量将每年增加一倍，1975年，他又根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正，把"每年增加一倍"改为了"每18到24个月增加一倍"。
摩尔定律发展至今已有50多年，在这50多年间，不断有人唱衰，甚至有人提出“摩尔定律已死”的观点。
今天，我们从两个方面看待摩尔定律终结的原因，一个是从微观角度(micro-view)，一个是从宏观角度(macro-view)，我们可以称之为：摩尔定律面临的两个问题。
虽然芯片制造商已经使用了各种手段来跟上摩尔定律的步伐，但还是无法避免摩尔定律的加倍效应已经开始放缓的事实，不断地缩小芯片的尺寸总会有物理极限：现在最新的制程工艺特征尺寸仅为7nm，而硅原子的半径为0.117nm，也就是说，在7nm工艺的芯片中的晶体管的特征尺寸仅为不到30个硅原子组成（因为原子空间利用率的原因，实际上要更少，详见后面分析），随着特征尺寸的进一步减少，其数量还会进一步减少。
在同等面积大小的区域里，随着集成越来越多的晶体管电路，漏电流增加、散热问题大、时钟频率增长减慢等问题难以解决。
我们先来看晶体管的微观结构，下图是目前最主流的FinFET（FinField-EffectTransisto）晶体管的结构。特征尺寸指的是栅极的宽度，目前主流芯片最小为7nm。
对比下面的显微图像，我们也可以判断出其特征尺寸为下图红线所标识。
从上面两张图我们可以看出，其实特征尺寸并非是晶体管里的最小尺寸，Fin (鳍) 的宽度至少是小于特征尺寸的，因此特征尺寸为7nm的晶体管中，所需要制造的最小尺寸其实是小于7nm的。
而到了下一代堆叠纳米片的晶体管结构，这种趋势则更加明显，在特征尺寸（栅极宽度）为3nm的晶体管中，其最小需要制造的尺寸（例如纳米片的厚度）则要远远小于3纳米，甚至要小于1nm。
小于1nm会遇到什么问题呢？我们需要了解一下硅的原子结构。
下面，我们来了解一下硅原子的物理结构，下图为硅的晶胞结构：
晶胞是反映晶体对称性质的最小单元，在由硅原子构成的一个面心立方体（8个顶点+6个面各有一个硅原子）的晶胞内，另外还有四个硅原子，分别位于四个空间对角线的 1／4处，平均到每一个硅晶胞中的原子数为8 (8*1/8+6*1/2+4=8) 。
硅的晶胞边长为a（晶格常数），在300K时，a=5.4305Å （0.543nm），1nm相当于不到2a，也就是说在1nm的宽度内两个晶胞都安放不下。
硅原子空间利用率：硅原子体积/单位原子在晶胞中占有的体积，硅晶体空间利用率约为34%，即晶胞空间内1/3为原子，2/3为空隙，如下图所示。
也就是说，我们看到的硅已经不再是平滑连续的，而是由离散的原子团组成的。
此时，在连续系统中适用的定律和法则很多都会失效，晶体管也就不能正常工作了。因此，从微观角度看，摩尔定律是不可持续的。
摩尔定律，无论是1965年提出时的：“半导体芯片上集成的晶体管数量将每年增加一倍”，还是1975年修正的：“每18到24个月增加一倍”，从数学意义上来看，其曲线都是指数增长的。
假设某一个时间点上，芯片上集成的晶体管数量为X，则18月后为2X，2个18月后为4X，n个18月后为2^n*X，那么从现在开始，我们就可以估算人类生产的晶体管数量：Y=X(1+2+4+8...+2^n)，给公式两边同时乘以(2-1)则可得Y=X(2^(n+1)-1)。具体请参看：
地球上的硅能生产多少只晶体管？
从公式1+2+4+8...+2^n=2^(n+1)-1我们可以看出，无论以前生产的数量有多少，到了下一个周期，一个周期内生产（消耗）数量将为以前所有周期生产的数量的总和还要多1。
从另外一个角度，只要晶体管数量的增长继续遵循指数曲线，那么，未来的每一代人回过头来看时，过去的时代都会是几乎没有进步的时代。这其实就是一个悖论。
宇宙中的原子数量才有10^80个，如果晶体管的数量按照指数曲线增长，仅仅需要一个半世纪（150多年），宇宙中的原子都要消耗殆尽了，这显然是不可能的！（需要读者注意的是，本文在估算的时候，做了一些前提假设，实际的数值会和前提条件的变化有关，但不会发生数量级上的变化）
写到这里，我们可以得出一个结论：从物理学的意义上来讲，指数曲线基本上都是不可持续的。因此，从宏观角度看，摩尔定律也是不可持续的。
我又想起了一个故事："甲问乙，你觉得一张报纸能对折40次吗？乙说，我觉得可以啊，说完就找到一张最大的报纸折叠起来...... "最后的结果如何呢？
这实际是一项不可能完成的任务，因为一张报纸对折40次的厚度超过了11万公里，远超过绕地球两圈半了！
一张报纸只要对折27次，其厚度就会超过珠穆朗玛峰的高度，对折36次，就超越了中国最北端到最南端的距离，对折42次，就超过了地球到月球的距离!
指数曲线的增长就是如此可怕，越往后，越可怕！前面所有的增长相对于后面的增长来说几乎都可以忽略不记！
既然从微观和宏观上来看，摩尔定律都是不可持续的，那什么定律能够代替摩尔定律呢？
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