今年早些时候，英特尔公司联合创始人戈登 · 摩尔去世了。他因提出预测半导体芯片内晶体管密度会持续上升的摩尔定律而闻名于世。如今，近60年过去了，这个定律依然十分适用，但本文作者麦肯齐警告称，芯片要想继续保持之前的发展速度，难度将越来越大，成本将越来越高。
2022年，台湾积体电路制造公司（台积电，TSMC）宣布计划新建一座集成电路工厂，吸引大众眼球的不单单是那令人瞠目结舌的330亿美元预算。更重要的是，这座预计于2025年在新竹市投入运营的工厂届时将生产全球第一批“2纳米”芯片。这些全新的芯片比以往的任何产品都体积更小、运算速度更快，工作效率也能提升多达30%。台积电的这些新产品会卖给苹果等公司——苹果目前是台积电的最大客户——为从手机到笔记本电脑的一切设备提供服务。
有远见的思想者戈登·摩尔，2023年3月24日逝世，1968年联合创立了英特尔公司，后来担任这家公司的首席执行官和董事会主席
不过，我们能造出如此小、功能又如此强大的芯片，这个事实本身并不令人意外。毕竟，工程师戈登 · 摩尔（Gordon Moore，1929—2023）早在1965年就提出了著名预言：集成电路上的晶体管数量每年都应该翻一番。摩尔在为《电子学》（Electronics）杂志撰写的文章中估测：到1975年，面积为一平方英寸（约6.25平方厘米）的硅芯片上应该能集成25个电子元件。
事实证明，摩尔的预言是正确的，尽管他本人后来称这个判断为“疯狂的外推”，并且还在1975年修改了预测，提出芯片集成的晶体管数量每两年翻一番。这些预言就是后来著名的“摩尔定律”，且完全经受住了事实的检验，准确得惊人。实际上，正是在狭小空间里容纳更多晶体管的能力支撑了电子消费行业几乎完全不间断的增长。但是，我们必须清楚地知道，摩尔定律从来不是既定的科学“定律”，更多的只是描述了电子芯片过去的发展以及半导体行业强加给自己的未来发展路线图。
看向未来
基础物理学告诉我们，晶体管在越做越小的同时运行速度会越来越快，需要的能源会越来越少。摩尔在他1965年的那篇文章中特别指出：“每个部件的成本几乎与部件数量呈反比。”当时，摩尔正担任美国仙童半导体公司研发主管，将芯片发展速度和成本下降速度两个概念结合在了一起。
事实证明，摩尔是一个有远见的思想者，他正确预见到半导体技术将以惊人的速度发展。虽然，在过去几年里，我们缩小晶体管的方式在细节上发生了不小变化，但摩尔关于集成电路快速发展的许多预测已经变成了现实。他在1965年的那篇文章里就预见了电子手表、家用电脑、智能手机（当然，用他自己的原话说是“个人便携式通信设备”）以及通过电话线发送多条信息的能力，当然还有汽车的自动控制、自动驾驶。
在1965年那篇论文发表50周年之际，摩尔接受了IEEE Spectrum的采访，并表示他很惊讶这个定律竟然持续了那么久都没被打破。他说：“我从来没想过过了这么久大家都还记得这个预测。”在摩尔看来，摩尔定律的经久不衰就是半导体行业工程师创造力的丰碑，他们一次又一次地找到了缩小芯片、缩小设备的方法。“我当时最多只是看到了未来几代芯片的发展。按我当时的想法，几代之后，我们就很有可能会遭遇某种瓶颈。不过，目前看来，原本设想的种种瓶颈都被我们甩在了后面。”
然而，也是在这次采访中，摩尔提出，到最后，仍有两个基本物理局限会阻碍进一步的小型化。他当时还回忆起宇宙学家斯蒂芬 · 霍金（Stephen Hawkin）造访硅谷时指出的事实：没有任何物体的运动速度能超过光速，而物质说到底也是由有限大小的原子构成的。换句话说，速度和大小就是芯片制造面临的终极物理学束缚。摩尔警告说：“这些都是基础层面的限制，我完全想象不到要如何解决。另外，再过几代人的时间，我们就要与这些终极限制正面对抗了。”
它会在哪里结束？ 自1971年英特尔公司推出旗下第一款4004芯片以来，集成电路上装配的晶体管数量一直在以令人瞠目结舌的速度增长。摩尔定律（这个术语本身在1975年才问世）认为，这个数量每两年就会翻一番。然而，要想继续保持这个增长趋势，难度会越来越大，成本会越来越高
所以，摩尔定律的终结已经近在眼前了吗？
光很重要 在我们制造越来越微小的晶体管的过程中，光刻技术一直是核心。这种技术需要在硅基底上涂上一层所谓的“光刻胶”，光刻胶在被光线照射时会发生反应。当光线穿过基底上方拥有特殊图样的光学掩模时，光刻胶暴露在光线下的那部分会发生反应，同时，没有被光线找到的部分则保持不变。在涂上显影剂后，基底上最后就会形成与光学掩模一样的图案，只是尺寸要小得多
更小、更快、更好
任何计算机的核心都是中央处理器（CPU），它是由多个晶体管连接在一起构成的单块集成电路，负责执行基本的算术运算。1971年，英特尔公司发布了全世界第一块单芯片微处理器，那是一种4位中央处理器，名叫“英特尔4004”。这种中央处理器拥有2 300个晶体管，每个晶体管大小大约是10微米，售价60美元。不过，正如摩尔预测的那样，集成电路中的晶体管数量很快就大幅上升了。
到了20世纪80年代初，晶体管的尺寸小到了1微米，单块芯片上可以封装多到10万个晶体管。单块芯片封装的晶体管数量在20世纪90年代上升到了100万，在21世纪初上升到了1 000万，又在十年后达到了1亿。截至2019年，最新的中央处理器采用所谓的“5纳米工艺”，能在每平方毫米的芯片上封装至少1亿个晶体管，整个中央处理器封装的晶体管总数可以超过100亿。（这些年来，所谓的“工艺”本质上已经变成了一种营销术语。举例来说，台积电所谓的2纳米芯片并不是真的指产品中有什么部件的物理尺寸小到了2纳米。）
现代集成电路是以硅或其他半导体材料为衬底，然后使用各种“光刻”技术逐层构建电路。这类光刻技术种类繁多，但通常都涉及光反应或化学反应。令人惊奇的还不仅仅是我们在芯片制造方面取得的堪称不可思议的进步，更包括如今半导体制造工厂所要求的绝对洁净水平。
说回1971年，英特尔4004芯片使用的是一种“10微米工艺”，这在当时意味着芯片上的所有晶体管相互间的距离都不超过10微米。为了实现如此之小的尺寸，英特尔率先使用了“光学掩模”——本质上就是一大块透明玻璃板，上面的部分区域覆有能吸收光的铬图样。生产人员将光学掩模放在晶圆上方，再用蓝光照射光学掩模，最后打到晶圆上。
英特尔公司的聪明之处在于在晶圆上涂了一层光敏有机光刻胶，这层物质在受到光照射时会发生反应，而没有照到光的区域则会保持原状。再使用某种溶剂溶解掉暴露在光线下的部分，光学掩模上的原始图案就可以转移到硅晶圆上，只是尺寸会变得小得多。为了制造集成电路所需的各种部件，要使用多次、多种光学掩模。
多年以来，为了让最后得到的集成电路越来越小，就必须在光学掩模和晶圆之间引入越来越精确的“投影透镜”。举个例子，在20世纪80年代，为了制造2微米芯片，研发人员开发了“缩小步进器”。这类设备能把光学掩模图样一步一步缩小成尺寸更小的图样。自发明之后，缩小步进器始终是“拓印”光刻图样的主流设备，整个20世纪90年代都是如此，当时，芯片晶体管的最小特征尺寸达到了250纳米量级。
然而，最后还是有两个因素限制着拓印图样的最小尺寸：一是光刻胶的分辨能力；二是投影到晶圆上的图像的最小尺寸。这个最小尺寸——也就是大家熟知的“瑞利准则”或者说“衍射极限”——可以用0.61λ/NA计算得到，式中，λ代表光的波长，而NA则是投影透镜的数值孔径。换句话说，投影产生的图像最小大概就是使用的光的波长的一半。
于是，为了制作更小尺寸的芯片，光刻系统这些年里转而使用了波长越来越短的光，先是蓝光（436纳米），然后是紫外光（365纳米），接着是深紫外光（248纳米），而最新的系统则用上了氩氟准分子激光器产生的193纳米光。数值孔径的提升——从早期系统中的0.16，上升到了高到令人诧异的0.93——也为摩尔定律的延续立下了汗马功劳。另外，纳米定位技术的巨大进步也功不可没，这种技术可以将各种光学掩模对齐到合适的精度。
推动极限 荷兰跨国公司ASML的洁净室内部。这里生产的设备可以创造极紫外光——一种能用于制造最新一代2纳米芯片的光
奔向2纳米
然而，我们要怎么才能得到像台积电新竹工厂生产的那种2纳米芯片？即便是使用193纳米这么短波长的光，2纳米也远在衍射极限之下。于是，大部分芯片制造商转向了荷兰跨国公司阿斯麦（ASML）开发的系统。这些设备使用的是波长为13.5纳米的极紫外光（EUV）——那几乎就是X射线的波长了——它们简直是不可思议的工程学壮举，在物理学定律的边界上取得了巨大突破。
那么，极紫外光怎么产生呢？在真空容器中用激光轰击熔融状态的锡滴，然后再让它到蔡司公司制造的镜子（按照阿斯麦公司的说法，这是全世界最平的平面）上反弹。ASML系统体积庞大，每台成本超过1.5亿美元，必须用40个大型货运集装箱、3架运货飞机和20多辆卡车才能送到客户手中。虽然价格极为高昂，但ASML公司截至目前已经售出了至少140套极紫外光系统。不过，作为唯一供应商，ASML实际上也成了半导体产业进一步扩张的瓶颈。
根据《麻省理工科技评论》（MIT Technology Review）的报道，谷歌和亚马逊公司已经开始使用第一代拥有极紫外光特征的芯片，主要用于提升语言翻译、搜索引擎结果、照片识别和人工智能等应用的质量。另外，极紫外光革命也在走近大众消费者，因为苹果、三星等公司已经开始使用ASML的机器生产智能手机中的芯片。
微小尺度上的进步 IBM公司表示，使用其最新的2纳米芯片技术，一块指甲大小的芯片上能集成500亿个晶体管
维持摩尔定律屹立不倒的还有材料科学以及晶体管设计方面的惊人进步，比如“翅片场效应晶体管”。这种部件在硅基表面使用相对较高的翅片结构。翅片场效应晶体管是第一代能够互相堆叠的三维晶体管之一。目前，芯片公司已经在生产具有176层光学掩模层的设备，但在半导体产业对下一代设备规划的路线图上，600层才是这个行当的目标。
最新的2纳米工艺使用的则是更加先进的翅片场效应晶体管，也就是“全包围栅极”（GAA）设备。美国的国际商业机器公司（IBM）已经开始使用这类设备生产密度达到平方毫米3.33亿个晶体管的芯片。按照这家公司的说法，它们可以在“手指甲大小的芯片上”集成500亿个晶体管。IBM公司还表示，这类芯片能使智能手机的电池寿命延长4倍，能降低数据中心的成本，还能让笔记本电脑运算得更快。
在极限处奋斗
从本质上说，目前的情况是，每一根可以维持摩尔定律的杠杆都正在被撬动。例如，ASML正使用极紫外线光刻系统朝着1纳米尺度的芯片迈进。同时，我们还能期待光刻技术本身有进一步发展，毕竟它的分辨率通常每6年就能减半。上述种种努力当然也是值得的，举例来说，用台积电2纳米硅芯片制成的处理器速度可以比使用3纳米芯片的设备快15%，同时还能节省大约25%的能量。
摩尔定律肯定还没有终结。虽然2纳米几乎就是10个硅原子的宽度了，但请记住，2纳米芯片中的晶体管实际上并没有那么小。实际上，在2纳米芯片中，一个栅极到另一个栅极的距离（也就是所谓的“栅极间距”）接近50纳米，所以还有一点空间可供我们发挥。另外，我们还可以通过撰写更高效的软件程序，从现有芯片中榨取更多价值。
然而，现在很难想象接下去还有什么创新能使摩尔定律继续屹立不倒。2016年，德国、日本和美国的研究人员用仅仅12个铟原子包裹一个酞菁分子制成了一个晶体管。这个晶体管的栅极尺寸仅为0.167纳米，那会是“摩尔定律绝对无法超越的硬极限”。还有一种方法就是为特定类型的应用设计不同类型的芯片，比如有些人工智能类应用使用的就是图形处理单元（GPU）而不是中央处理器，这样就可以做并行计算，提升效率。
最后，我们能把摩尔定律延续到何种程度很可能还是一个纯粹的经济学问题。台积电的新工厂成本预算已经达到330亿美元——比生产5纳米芯片的工厂的成本150亿~200亿美元高出了许多——维持摩尔定律注定是一场高风险的游戏。在这样高的门槛下，只有IBM、英特尔、三星和台积电等少数几家公司有能力开发下一代半导体芯片技术。他们肯定没有放弃摩尔定律，但要想更进一步，确实是很难很难。
资料来源 Physics World
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本文作者詹姆斯·麦肯齐（James McKenzie）是《物理世界》物理学产业应用专栏的作者
戈登 · 摩尔简介
伟大的人物 戈登·摩尔（右）与和他共同创立英特尔公司的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce，中）在1978年时的合影，正是后者发明了人类历史上第一块集成电路。左手边则是安德鲁·格罗夫（Andrew Grove），他在1987年—1998年间担任英特尔公司第三任首席执行官
戈登 · 厄尔 · 摩尔（Gordon Earle Moore）1929年1月3日出生于美国加利福尼亚州佩斯卡德罗，1950年在加利福尼亚大学伯克利分校毕业并拿到化学学士学位。紧接着，他又在加州理工学院拿到化学博士学位。1953年—1956年，他在约翰霍普金斯大学应用物理实验室做博士后。也是在1956年，摩尔离开学术圈前往物理学家威廉 · 肖克利（William Shockley）彼时刚刚建立的肖克利半导体实验室（SSL）工作。
肖克利半导体实验室的建立对当时方兴未艾的半导体产业来说是一个激动人心的时刻。肖克利半导体实验室是硅谷最早从事半导体器件研究的高科技公司之一，而肖克利本人也凭借发现晶体管与沃尔特 · 布拉顿（Walter Brattain）和约翰 · 巴丁（John Bardeen）一道分享了1956年诺贝尔物理学奖。
为了开发和生产新的半导体设备，肖克利为实验室招揽了一批才华横溢的青年科学家，摩尔就是其中之一。
然而，肖克利可不是什么好相处的老板，管理公司的风格相当专制。在撤换肖克利的要求遭拒后，摩尔和其他同事在1957年退出肖克利半导体实验室。后来被称为“叛徒八人组”的他们随即自行成立了公司，也就是仙童半导体公司，而肖克利则把他们的离开称为“背叛”。仙童半导体公司的名字来自投资这家公司的经验丰富的商业主管舍尔曼 · 费尔柴尔德（Sherman Fairchild）。1965年，正是在仙童半导体公司担任研发主管期间，摩尔提出了他那个著名的预言，并且在1975年被冠上了“摩尔定律”之名。
很快，仙童半导体公司就发展为半导体行业的领军企业，后来在2016年以24亿美元的价格被安森美半导体公司收购。作为新技术的孵化器，仙童半导体公司或直接或间接地参与了数十家公司的创建，其中包括英特尔和超威半导体（AMD）。根据Endeavor Insight 2014年的一项分析，仙童半导体公司直接或间接催生了92家上市公司，总市值超过2.1万亿美元。另外，Endeavor Insight还估测，如果不仅考虑上市公司，那么大概还有2 000家公司的起源可以追溯到仙童半导体公司。
或许，这些公司中最有名的就是英特尔。1968年，摩尔和物理学家罗伯特 · 诺伊斯一起建立了英特尔公司——他俩也都是仙童半导体公司的联合创建人。最初，他俩给公司起名“NM电子”（N和M分别是诺伊斯和摩尔的姓氏首字母），后来很快便更名为“英特尔”。公司成立后，摩尔担任了各种重要职位，其中包括董事会主席和首席执行官。后来，英特尔迅速成长为计算机内存、集成电路和微处理器设计领域新技术研发的先驱，2022年总营收630亿美元，员工超过12.5万。
据报道，摩尔离世时身家70亿美元，但他也是一位热心的慈善家，2000年时耗资50亿美元成立了戈登和贝蒂 · 摩尔基金会，用以支持教育和环境项目。2001年，他又给加州理工学院捐赠了6亿美元，这在当时是这所高等院校收到的最大一笔捐赠。摩尔也获得了大量荣誉，其中包括2002年乔治 · 布什（George Bush）授予的总统自由勋章（美国平民能拿到的最高奖项）。