剛剛過(guò)去的4月19日，是家喻戶曉的摩爾定律誕生50周年紀(jì)念日。電子和信息技術(shù)正深入和觸摸著我們生活的方方面面。從1958年開始的集成電路發(fā)明持續(xù)引導(dǎo)著電子革命，在很大程度上科技產(chǎn)業(yè)似乎都忠實(shí)遵守著這個(gè)個(gè)稱為摩爾定律的東西。1965年，戈登·摩爾（Gordon Moore）從一個(gè)化學(xué)家轉(zhuǎn)型成電子工程師，注意到從第一塊集成電路產(chǎn)生以來(lái)，每年芯片上集成的晶體管數(shù)量大約以兩倍的數(shù)量增加。他還大膽預(yù)測(cè)，這些組件的縮小速度將持續(xù)至少十年時(shí)間，并于1965年4月19日正式提出。不過(guò)，當(dāng)時(shí)并沒(méi)有人把這個(gè)規(guī)律當(dāng)作定律來(lái)看，只是認(rèn)為是對(duì)芯片發(fā)展規(guī)律的總結(jié)。甚至他自己都認(rèn)為：摩爾定律不是定律，只是一個(gè)機(jī)遇而已。不過(guò)，后來(lái)的發(fā)展卻不斷驗(yàn)證了這一說(shuō)法，使其終于享有了“定律”的榮譽(yù)，并修正為為集成電路的集成度每18個(gè)月翻一番或者說(shuō)三年翻兩番。
摩爾定律提出3年后，英特爾公司誕生了，摩爾也成了這個(gè)公司的創(chuàng)始人之一。1971年，英特爾推出第一片微處理器Intel 4004至今，微處理器使用的晶體管數(shù)量的增長(zhǎng)情況基本上符合摩爾定律。人們還發(fā)現(xiàn)，這不光適用于對(duì)存儲(chǔ)器芯片的描述，也可精確說(shuō)明處理機(jī)能力和磁盤驅(qū)動(dòng)器存儲(chǔ)容量的發(fā)展。甚至生物學(xué)家們?cè)?013年還將摩爾定律應(yīng)用到了地球生命復(fù)雜性的研究上，他們將摩爾定律中的晶體管換成了核苷酸進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，結(jié)果顯示生命最早出現(xiàn)在100億年前，比地球45億年的預(yù)測(cè)年齡老得多，也就是說(shuō)，在太陽(yáng)系形成之時(shí)，可能已經(jīng)存在著類似細(xì)菌的生物體，或者一些存在于銀河系古老區(qū)域的簡(jiǎn)單核苷酸，通過(guò)彗星、小行星或其他太空碎片來(lái)到地球，這一假說(shuō)被稱為有生源說(shuō)（泛種論），一直是生命科學(xué)中的一個(gè)重要流派，從摩爾定律中居然也找到了根據(jù)。
數(shù)十年來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)的摩爾定律，主要得益于制造工藝上的天才和壯舉，但是，基礎(chǔ)科學(xué)在這方面的重要作用也值得重視，尤其是在今天人們想設(shè)法保持這種進(jìn)步速度的時(shí)候更是如此。1940年代，晶體管誕生于美國(guó)新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室，就是因?yàn)榘雽?dǎo)體能帶理論的發(fā)展所促成的。1959年，美國(guó)仙童公司首先推出了平面型晶體管，1961年又推出了平面型集成電路，在研磨得很平的硅片上采用一種“光刻”技術(shù)來(lái)形成半導(dǎo)體電路的元器件，只要“光刻”的精度不斷提高，元器件密度也會(huì)相應(yīng)提高，從而具有極大的發(fā)展?jié)摿?，因此平面工藝被認(rèn)為是“整個(gè)半導(dǎo)體的工業(yè)鍵”，也是摩爾定律問(wèn)世的技術(shù)基礎(chǔ)?？茖W(xué)家們?cè)谥蟪掷m(xù)突破，為這個(gè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要部分助力，1970年俄羅斯物理學(xué)家Nikolay Basov等開發(fā)了準(zhǔn)分子激光，可用來(lái)腐蝕硅片上的微小電路。
1990年代，人們就感覺(jué)發(fā)展瓶頸要來(lái)了，呼吁進(jìn)一步創(chuàng)新。在此之前，隨著晶體管變得越來(lái)越小，其速度和能源效率持續(xù)增加。但當(dāng)組件達(dá)到約100微米時(shí)，小型化出現(xiàn)相反的效果和糟糕的表現(xiàn)。摩爾共同創(chuàng)立的英特爾公司與IBM再次重視通過(guò)基礎(chǔ)科學(xué)尋找提高晶體管性能的材料。后來(lái)在凝聚態(tài)物理學(xué)家們的幫助下，他們知道了當(dāng)晶格拉伸時(shí)硅導(dǎo)電能力可大幅度提高。2000年代，由于應(yīng)變硅技術(shù)的引入，摩爾定律又真的持續(xù)了好多年。到目前為止，半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展從未停頓下來(lái)，晶體管繼續(xù)縮小，電腦芯片也結(jié)合了越來(lái)越多的性能和功能?，F(xiàn)在最先進(jìn)的微處理器晶體管只是10-14納米寬，預(yù)計(jì)2023年可以到4納米至6納米的工藝制程。余熱已成為一個(gè)限制因素，這導(dǎo)致摩爾定律中有關(guān)“計(jì)算機(jī)時(shí)鐘速度的指數(shù)增長(zhǎng)”已經(jīng)不靈了。耗電芯片也限制了其在移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用。隨著3D芯片等技術(shù)的耗盡，美物理學(xué)家稱該定律將在10年內(nèi)崩潰，也就是說(shuō)，摩爾定律正在接近物理極限，需要真正的物理創(chuàng)新來(lái)突破。
氧化鉿在只有幾個(gè)原子厚的時(shí)候也具有絕緣作用，引入這種先進(jìn)材料可保持芯片涼爽。這些努力可能會(huì)帶來(lái)一代或兩個(gè)以上更小晶體管的產(chǎn)生，也許只有5納米的大小。但之后想進(jìn)一步提高性能需要全新的物理學(xué)支持。再往前如何走？也許是使用量子隧道效應(yīng)的晶體管，其中電流傳輸?shù)氖橇孔幼孕皇请姾?。世界各地的?shí)驗(yàn)室都在尋找可大大降低能耗的方法和材料。其中一個(gè)方式是利用原子集體“拓?fù)洹睂傩缘墓逃蟹€(wěn)定性，這是古代在傳遞信息中所采用的結(jié)繩編碼實(shí)踐的現(xiàn)代解讀。一些研究人員正在嘗試最基本的“神經(jīng)形態(tài)”電路架構(gòu)，這是來(lái)自大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可塑性的靈感。
一個(gè)在物理實(shí)驗(yàn)室能完好運(yùn)轉(zhuǎn)的法則未定能轉(zhuǎn)化為批量生產(chǎn)的途徑，而且今天大多數(shù)的努力和嘗試可能最終將一無(wú)所獲，這是不可避免的。然而，社會(huì)應(yīng)該有信心，也許在某個(gè)地方不知何故，基礎(chǔ)科學(xué)將提供一種維持這種人類進(jìn)步的模式。摩爾應(yīng)該感到自豪是，因?yàn)槲覀兊侥壳盀橹惯€沒(méi)有發(fā)現(xiàn)他這個(gè)定律出現(xiàn)異常。
參考資料：
[1] Nature 520, 408 (23 April 2015) doi:10.1038/520408a
[2] CPU領(lǐng)域的摩爾定律詳解（http://www.pcdog.com/edu/pc-accidence/2005/09/p019297.html）
[3] 摩爾定律（http://baike.sogou.com/v574939.htm）
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