摩尔定律会失效吗，摩尔定律是否会永远生效

晶体管于75 年前发明，不久之后集成电路(IC) 诞生。晶体管尺寸逐渐变得更小、更便宜。这就是著名的摩尔定律。如今，复杂的处理器芯片包含超过1000 亿个晶体管，而且这个数字还在不断增长。

）正在减慢，并且不是提高特定应用芯片性能的唯一甚至主要设计目标。摩尔定律未来将如何发展？我猜三维（3D）集成等新设计技术不仅注重增加芯片上晶体管的密度，而且注重提高信息处理的速度。

尽管摩尔定律预测了每个晶体管的成本下降的速度，但晶体管尺寸通常被认为是二维(2D) 芯片阵列的面积尺寸或“足迹”。在过去的75 年里，随着特征尺寸从微米级缩小到纳米级，引入新制造技术的问题一再引发人们对“摩尔定律终结”的担忧。二十年前，人们普遍对一些难以规模化的技术的发展持悲观态度。尽管有这样的背景，M.S.L. 预测，2003 年最先进的65 nm 节点以下的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 的缩小不会放缓，并将持续下去。 我是。在达到扩展限制之前，它至少10 年不会改变。

事实上，从2003 年每个芯片大约1 亿个晶体管到今天每个芯片1000 亿个晶体管的进步仍在继续。一种方法是通过提高开关电流比和抑制漏电流来减少功率浪费来确保实际运行。 2003年，应变硅被引入并用作沟道材料，通过提高电子速度来增加通态电流。 2004年，高k栅极绝缘体降低了断态漏电流。 2011年，FinFET（非平面晶体管结构）被引入商用集成电路，并通过栅电极优化来增强对能垒的静电控制（从而提高开关电流比）。我们目前正在开发一种具有更好栅极静电控制能力的“栅极全能晶体管”。可以创建的晶体管的尺寸受到图案化和蚀刻的限制，这是通过称为光刻的过程完成的。在此过程中，光敏聚合物在芯片上形成蚀刻掩模。最小图案尺寸由波长决定。使用的光线。最近出现的极紫外光刻(EUV) 使摩尔定律得以延续到7 纳米以下节点。

二维(2D) 纳米电子学、三维(3D) 超大规模集成和功能化集成都可以扩展摩尔定律，但都面临重大挑战和根本限制。

尽管芯片上的晶体管数量仍在增加，但由于小型晶体管的能力有限，增加的速度已明显放缓。具体来说，当沟道长度（源极和漏极之间的区域，其中栅极充当开关）变为10 纳米并减小时，就会发生量子力学隧道效应。

）分别是通态电流（应尽可能高以实现高速运行）、断态电流（应尽可能低以最大限度地减少待机功耗）和电源电压（可降低功耗）消耗）（需要低才能最小化）也同时减少。硅MOSFET目前是可能的最小尺寸，而二维芯片面积已经是可能的最大尺寸，因此必须找到提高性能的新方法。

逻辑、存储器、功率晶体管和电感器之间的热串扰

）给设备设计带来了前所未有的挑战。由于数万亿个晶体管紧密相连，新的散热方法（可能模仿生物温度调节）和热意识设计变得非常重要。

电子系统必须在一段时间内（通常为10 年）保持可靠，但某些应用需要数十年的可靠性。为了保证具有1000 亿个晶体管的集成电路中只有1 到10 个晶体管发生故障，您需要预测1000 万亿（大约10^18）个晶体管的可靠性。实际上，可靠性通常是通过对少于几千个晶体管的短期加速测试来确定的。因此，有必要以前所未有的精度了解这些新系统的“磨损”物理原理和可靠性。由于如此多的设备相互连接并放置得很近，因此出现了需要管理或利用的新现象。

明天的万亿级系统将与今天的千兆级系统有根本的不同。这是因为了解系统的组件并不能直接帮助您了解这些模块如何交互。 —— 可能会出现新现象。芯片设计已经非常复杂和昂贵，但用于放置和互连3D 设计的算法和工具尚不存在。这些设计工具必须模拟工艺和封装集成的复杂性、3D IC 之间的热串扰以及封装系统的特定操作可变性和可靠性。

新材料、新加工工艺必须在研究中开发并应用于规模化生产。使用当今的制造设备将研究级设备的进步转化为大规模制造是实验室到工厂面临的严峻挑战。科学研究界需要更先进的制造设备，并最大限度地缩短概念-执行-分析学习周期（“概念-执行-分析”）。

散热问题

正如隧道效应阻碍2D 缩放一样，这也是万亿级3D 集成芯片发展的限制。但这并不意味着摩尔定律的终结。计算的目标是每秒处理的信息，而不是每秒执行的操作。生物学在这方面提供了指导。人类感官在将信息发送到大脑之前先在本地处理信息。增强的边缘传感功能与模拟世界接口，结合本地内存和数据处理（边缘分析），防止数据泛滥和计算机过载。

电子产品正处于一个转折点

）。尽管晶体管小型化已经实现了75 年，但它不会成为未来几十年进步的驱动力。如果摩尔定律被理解为意味着每个集成系统（不一定是每个芯片）晶体管数量的增加，那么摩尔定律将永远不会结束。增加晶体管的数量不是通过缩小晶体管的尺寸来实现的，而是通过将它们垂直堆叠或水平组合在复杂的封装中，最终形成单片3D芯片来提高功能。

从纳米电子学（专注于减小晶体管尺寸）到万亿级电子学（由越来越多的晶体管和相关功能驱动）的转变定义了范式转变和未来的核心研究挑战。它需要材料、设备、加工以及人类有史以来最复杂的系统方面的专业知识。

设计和制造方面取得根本性进步。有一天，电子隧道和“热瓶颈”

3D集成开发的限制（电隧道和热瓶颈）

）。在那之前，随着研究人员解决这些极其复杂的电子系统的挑战，摩尔定律可能会继续下去。

参考书目：Lundstrom MS，Alam M A，2023:378,722-723 编辑：穆大河。

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来源：热智编辑：老头