英特爾公司創(chuàng)辦人之一戈登·摩爾曾經(jīng)預(yù)言，芯片的晶體管數(shù)量大約每隔一年半到兩年時(shí)間將增加一倍，這一規(guī)律被稱為“摩爾定律”。至今，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)芯片技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程大致符合這項(xiàng)定律，產(chǎn)業(yè)界不斷推出運(yùn)算速度更快、功能更強(qiáng)大、散熱更少、單位成本更低的微處理器。
英特爾公司1971年制造的早期微處理器，在郵票大小的面積上可容納2300個(gè)晶體管，最新的Montecito芯片，在相同面積上容納的晶體管數(shù)量已達(dá)17億個(gè)。目前英特爾公司使用的65納米工藝制造技術(shù)，在2007年底前大部分產(chǎn)品也將升級(jí)至45納米。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，使芯片設(shè)計(jì)和制作工藝不斷追求尺寸越來(lái)越小、功能越強(qiáng)、耗電量越小、散熱越少。但要在納米尺度的細(xì)小芯片上實(shí)現(xiàn)晶體管數(shù)目不斷成倍增長(zhǎng)、線路與線寬越趨細(xì)薄，將具有物理局限與投資制造成本巨大增加的不可行性，尤其是20納米以下的制造技術(shù)則更為困難。目前的CMOS制造工藝技術(shù)將無(wú)法控制無(wú)限微小化的電路，因而，在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)成本上是否能夠持續(xù)遵循摩爾定律，在降低芯片制作的平均成本的同時(shí)，提升芯片效能、減少耗電與散熱等，將是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來(lái)極為關(guān)注的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
芯片設(shè)計(jì)也不僅僅是一項(xiàng)硬件的設(shè)計(jì)工作，未來(lái)將包含更多的軟件設(shè)計(jì)工作，軟硬件共同設(shè)計(jì)，相互融合，將使未來(lái)的芯片功能更強(qiáng)，更能產(chǎn)生突破性發(fā)展和新產(chǎn)品的創(chuàng)新運(yùn)用，這也將是未來(lái)芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)蛻變發(fā)展的一項(xiàng)新挑戰(zhàn)。
硬件廠商續(xù)演摩爾定律
IBM公司2006年4月提出的《全球科技展望》報(bào)告預(yù)測(cè)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)科技的摩爾定律至少還將會(huì)盛行10年。芯片設(shè)計(jì)師通過(guò)設(shè)計(jì)新的工藝結(jié)構(gòu)，將新的化學(xué)物質(zhì)納入芯片制造，硅基材料起碼還能撐上10年，而不必用更基本的材料代替。
2007年1月27日，英特爾公司宣布已掌握新的工藝方法，即用鉿金屬材料取代目前半導(dǎo)體芯片中作為關(guān)鍵部分的硅材料，以及使用高介電材料代替硅基襯底制造出新微處理器芯片。英特爾公司稱，此一突破性的新發(fā)現(xiàn)是該公司自1960年代以來(lái)最重要的技術(shù)突破進(jìn)展。
使用這種鉿金屬所制造出的芯片除可省電30%以外，還能使晶體管性能提高20%。該新芯片不僅可以應(yīng)用在計(jì)算機(jī)上，還能運(yùn)用在消費(fèi)類電子設(shè)備上。結(jié)合了運(yùn)算能力與節(jié)能的微處理器，可讓諸如手機(jī)等電子設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間播放影片，但消耗的電力更少。
英特爾公司目前已制造出初期工作芯片，芯片寬度由目前的65納米縮小到45納米，該芯片將于2007年下半年批量生產(chǎn)，供個(gè)人計(jì)算機(jī)與服務(wù)器使用。此項(xiàng)技術(shù)突破與發(fā)現(xiàn)可以突破納米障礙，開發(fā)出儲(chǔ)存、運(yùn)算速度更快、更省電，并與現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)兼容的方法生產(chǎn)制造微處理器等芯片。
英特爾公司表示，這項(xiàng)半導(dǎo)體芯片40多年來(lái)最重大的突破，將使芯片儲(chǔ)存與運(yùn)算速度在未來(lái)10年間不斷地再提高，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界也將可以在未來(lái)再延續(xù)數(shù)十年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，將半導(dǎo)體芯片越做越小，但功能更強(qiáng)、成本更低、更省電且散熱更少。
近年來(lái)，為了在芯片中集成更多的晶體管，連接晶體管的連線也越來(lái)越細(xì)，這種非常細(xì)的連線已經(jīng)影響到它們處理信號(hào)的能力。芯片制造工藝進(jìn)展到納米尺度，細(xì)微芯片溢出電流的問(wèn)題，就成為摩爾定律能否繼續(xù)生效的重大障礙。
計(jì)算機(jī)硅芯片的每個(gè)晶體管上都設(shè)有一個(gè)門，以開或關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)電流通過(guò)與否，其下以細(xì)薄的二氧化硅作為絕緣體，但此絕緣體越細(xì)薄，溢出電流會(huì)越多，溢出電流會(huì)產(chǎn)生熱能散發(fā)出來(lái)，使電池耗盡。在最先進(jìn)的集成電路中，晶體管每秒鐘的開關(guān)速度高達(dá)10億次，它們之間的連線幾乎已經(jīng)跟不上這種節(jié)奏。導(dǎo)線越細(xì)，沿著它傳輸信號(hào)就需要越長(zhǎng)的時(shí)間，每推出一代新芯片，這種情況就變得越糟糕。
英特爾公司的另一項(xiàng)技術(shù)突破致力于解決這個(gè)問(wèn)題。該項(xiàng)技術(shù)是將芯片上晶體管電路門由硅材料改為新的以鉿為基礎(chǔ)的材料，這種高介電率材料可比以二氧化硅做材料的絕緣線做得更細(xì)薄，但仍允許導(dǎo)電電流順利通過(guò)，從而使電路門可以更好地工作。但英特爾公司并未透露其代替使用的新金屬材料的具體成分。
此項(xiàng)技術(shù)突破可使極小的芯片上集成多達(dá)10億個(gè)以上的晶體管，并減少芯片漏電10倍，電流在晶體管中的速度提升20%%。未來(lái)可使手機(jī)芯片可以執(zhí)行更高級(jí)的運(yùn)算工作，但仍維持它們的電池充電量。
硅柵技術(shù)已有30多年歷史，用金屬柵代替硅柵猶如像是從螺旋槳飛機(jī)進(jìn)步到噴射式飛機(jī)那樣的重大技術(shù)突破。英特爾公司表示，此項(xiàng)突破雖不敢稱可以使摩爾定律得以加速發(fā)揮，但清楚地表明，起碼摩爾定律將暫時(shí)不會(huì)停下腳步。
同樣是在2007年1月27日，IBM公司也不約而同地稱，使用高介電率材料儲(chǔ)存導(dǎo)電電流比使用硅效果更佳。IBM公司此項(xiàng)研究的合作伙伴包括美國(guó)AMD公司、日本索尼公司和日本東芝公司。IBM公司預(yù)定明年起批量生產(chǎn)此類芯片。基于此類設(shè)計(jì)的新芯片將具有前所未有的高效能，同時(shí)可降低耗電，美國(guó)AMD公司也預(yù)定于明年年中推出45納米的微處理器芯片。
未來(lái)英特爾公司、IBM公司與AMD公司等在此類新芯片競(jìng)爭(zhēng)上誰(shuí)擁有更多競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，尚不得而知，但對(duì)全球消費(fèi)者而言，無(wú)論誰(shuí)擁有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，都將受惠于這些創(chuàng)新技術(shù)的多方競(jìng)爭(zhēng)。
惠普公司則于2007年1月宣布已研發(fā)出一種利用納米技術(shù)，可允許在多種可編程芯片上裝進(jìn)8倍于現(xiàn)有芯片的晶體管數(shù)量，且更為省電的新技術(shù)。這將改變通訊交換機(jī)系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工廠與營(yíng)建控制系統(tǒng)及廣播設(shè)備等。原型芯片可望一年內(nèi)完成。
惠普研發(fā)的這項(xiàng)新技術(shù)的重要性是不須縮小晶體管的尺寸。傳統(tǒng)上，為提高芯片效能與儲(chǔ)存容量，都從縮小晶體尺寸著手。每次提升工藝技術(shù)，平均須花費(fèi)兩年的時(shí)間，投資的成本更高。有了這項(xiàng)新技術(shù)，現(xiàn)有的芯片加工廠的生產(chǎn)線只需小幅調(diào)整，不必全面升級(jí)。這項(xiàng)新技術(shù)可用于改善現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列這類傳統(tǒng)芯片。現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列是可編程邏輯元件與連接界面芯片，終端使用者可自行重新編程。
英國(guó)塑膠邏輯公司于今年早些時(shí)候宣布已集資1億美元，將興建全球首座以塑膠材料取代硅的半導(dǎo)體制造廠，有朝一日可能終結(jié)硅芯片時(shí)代、徹底革新全球電子工業(yè)。
據(jù)稱，目前該公司的技術(shù)比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的同類研究領(lǐng)先兩年。美國(guó)朗訊、荷蘭飛利浦、日本日立、南韓三星等公司都在著手研發(fā)或密切關(guān)注塑膠半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。這項(xiàng)新技術(shù)，可望使電子電路的價(jià)格陡降90%，并且讓“智能型”材料制成的衣物等產(chǎn)品早日問(wèn)世。豪瑟稱，此技術(shù)可能揭開廉價(jià)電子時(shí)代的序幕，屆時(shí)電路可縫在衣服上，穿上身就可提醒你今天該做什么事。
此外，包括英特爾公司在內(nèi)的國(guó)際硬件廠商仍在不斷地致力于半導(dǎo)體技術(shù)的突破性研究發(fā)展，硬件巨頭們正在積極投資，開發(fā)利用納米碳管代替硅、利用激光制造芯片及以新的光學(xué)顯微技術(shù)開發(fā)新一代22納米工藝技術(shù)，可以預(yù)期未來(lái)將在現(xiàn)有制造設(shè)備投資及改進(jìn)下，不需再有重大技術(shù)改變與巨額投資，便可在未來(lái)10至20年間延續(xù)摩爾定律現(xiàn)象。
軟件巨頭軟硬兼施追趕摩爾定律
盡管像英特爾公司和AMD公司等這樣的芯片廠商已經(jīng)在推出多內(nèi)核芯片，與單內(nèi)核芯片相比，其運(yùn)行速度更快。然而，當(dāng)前存在的挑戰(zhàn)是目前大多數(shù)的軟件還無(wú)法利用這種優(yōu)勢(shì)。英特爾公司表示，這些軟件也必須按照摩爾定律的速度發(fā)展，也要每?jī)赡陮⒅С植⑿卸确环Ｈ欢@對(duì)產(chǎn)業(yè)而言卻是一次大的挑戰(zhàn)。在服務(wù)器領(lǐng)域，情況則要好一些，桌面軟件能夠向超級(jí)計(jì)算機(jī)和服務(wù)器借鑒一些經(jīng)驗(yàn)，但據(jù)阿姆達(dá)爾定律表明，軟件支持的并行度卻是有限的。
當(dāng)然，仍然有其它的選擇。應(yīng)用軟件能夠處理多個(gè)完全不同的任務(wù)，系統(tǒng)可以運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用軟件。軟件和系統(tǒng)都可以預(yù)測(cè)用戶想要完成的，然而，產(chǎn)業(yè)卻無(wú)法像以往那樣發(fā)展了。微軟公司最近正在努力敦促業(yè)界開始解決這一問(wèn)題。
微軟公司稱，我們當(dāng)前確實(shí)正面臨著確定怎樣去發(fā)展的挑戰(zhàn)，個(gè)人計(jì)算編程產(chǎn)業(yè)鏈將提升到一個(gè)新水平，它將能夠開發(fā)高可靠性、分布式、高并行性的大規(guī)模應(yīng)用軟件，這大概將是我們?cè)谶^(guò)去20或30年中推出的最具有革命性的技術(shù)。未來(lái)版本的Windows操作系統(tǒng)必須有其根本的不同，能夠充分利用多內(nèi)核處理器的優(yōu)勢(shì)。Vista操作系統(tǒng)能夠處理多線程技術(shù)，但不是面向16或更多內(nèi)核的。而應(yīng)用軟件在利用多內(nèi)核處理器技術(shù)方面就顯得更為落后。
為了應(yīng)對(duì)以上挑戰(zhàn)，微軟開始轉(zhuǎn)向自家實(shí)驗(yàn)室找尋芯片設(shè)計(jì)新來(lái)源。微軟自行設(shè)計(jì)芯片的計(jì)劃有可能顛覆高科技產(chǎn)業(yè)。目前微軟把這項(xiàng)計(jì)劃暫稱為計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)研究（ComputerArchitectureGroup），由位于華盛頓總部的實(shí)驗(yàn)室和加州硅谷的微軟校園分頭進(jìn)行。
微軟自行設(shè)計(jì)芯片的想法，部分源于微軟構(gòu)思下代Xbox游戲機(jī)的設(shè)計(jì)。由于新的測(cè)試工具越來(lái)越發(fā)達(dá)，微軟得以隨時(shí)對(duì)新點(diǎn)子進(jìn)行測(cè)試。例如，研究人員可以利用加州大學(xué)柏克萊分校設(shè)計(jì)的系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)芯片，同時(shí)省下實(shí)際生產(chǎn)成本；另一方面，晶體管體積逐漸縮小，工程師可以在一片芯片上放入許多處理器，因此家電產(chǎn)品里的計(jì)算機(jī)運(yùn)算功能越來(lái)越多，為微軟帶來(lái)新挑戰(zhàn)和新機(jī)會(huì)。
近年來(lái)，游戲機(jī)和手機(jī)等產(chǎn)品開始具有計(jì)算機(jī)運(yùn)算功能，計(jì)算機(jī)運(yùn)算功能不再以桌面?zhèn)€人計(jì)算機(jī)為中心。當(dāng)微軟打算進(jìn)入這些市場(chǎng)時(shí)，微軟必須逐漸自行設(shè)計(jì)過(guò)去外包的軟件、硬件和封裝等項(xiàng)目，而不只是以微軟或Windows品牌做營(yíng)銷。同時(shí)，多核心或多處理器的芯片出現(xiàn)爆炸性成長(zhǎng)，使具有并行運(yùn)算功能的消費(fèi)性電子商品相繼問(wèn)世。美國(guó)蘋果計(jì)算機(jī)公司今年6月推出的iPhone手機(jī)，將數(shù)碼照相、網(wǎng)絡(luò)下載與電子郵件、視頻、聲頻等功能融為一體，使用了多項(xiàng)新功能芯片融合設(shè)計(jì)，包括核心芯片程序及影像核心處理器、無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)芯片、射頻及基頻芯片、觸控?zé)赡豢刂菩酒⑺{(lán)牙芯片等。
加州大學(xué)柏克萊分校的計(jì)算機(jī)教授帕特森稱，這是計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的歷史時(shí)刻。我們正處于計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)革命性改變的時(shí)刻，未來(lái)的硬件和軟件將具有并行運(yùn)算能力。計(jì)算機(jī)工程師逐漸可以用單一芯片作業(yè)，取代過(guò)去的整個(gè)運(yùn)算系統(tǒng)。微軟公司最近的芯片設(shè)計(jì)在軟硬件設(shè)計(jì)工作面臨的挑戰(zhàn)與可能的突破及發(fā)展布局，已呈現(xiàn)改變之勢(shì)。
以靈敏的嗅覺意識(shí)到芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)即將蛻變，通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)的相互融合，提升芯片功能，開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品與功能將是信息產(chǎn)業(yè)立于不敗之地的必由之路。
摩爾定律到底還能走多遠(yuǎn)
摩爾定律主宰信息產(chǎn)業(yè)的節(jié)奏已經(jīng)30余年了。過(guò)去的30年里，從一個(gè)只具簡(jiǎn)單計(jì)算器功能的Intel4004芯片，演化為今天具有超級(jí)計(jì)算能力的64位芯片，摩爾速度贏得了業(yè)界的信服和敬仰，成為衡量信息時(shí)代步履矯健、健步如飛的標(biāo)志，成為讓大眾領(lǐng)略信息時(shí)代飛速發(fā)展的最好、最通俗的解說(shuō)詞。
但硅芯片上承載電子電路的數(shù)目———無(wú)論是否有摩爾定律———都不可能無(wú)休止地進(jìn)行下去。2007年9月18日，連摩爾定律的創(chuàng)始人戈登·摩爾也不得不承認(rèn)，摩爾定律在未來(lái)10到15年還會(huì)繼續(xù)發(fā)揮作用，但由于電子產(chǎn)業(yè)面臨基礎(chǔ)性的限制，速度將會(huì)逐漸放慢。該定律在2020年前后將面臨瓶頸，甚至可能走入歷史。
英特爾公司從改進(jìn)物理材料入手延續(xù)摩爾定律的腳步。但英特爾即將推出的采用鉿元素作為絕緣層的45納米處理器，其絕緣層的厚度目前為5個(gè)分子厚，摩爾認(rèn)為理論上絕緣層厚度不能比一個(gè)分子薄，5個(gè)分子的厚度已是極限。摩爾表示，如果研究人員能夠研究出3D芯片，將可繼續(xù)帶動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
數(shù)年前物理學(xué)家霍金曾表示，電子產(chǎn)業(yè)面臨兩個(gè)限制：光的速度和材料的原子特性。摩爾說(shuō)，半導(dǎo)體業(yè)目前距離這兩個(gè)極限已不太遠(yuǎn)。是的，我們正處在一個(gè)全新的半導(dǎo)體時(shí)代的開端，在這個(gè)逐漸開始多元化的新材料時(shí)代里，我們也許將無(wú)法遵循任何過(guò)去曾經(jīng)指導(dǎo)我們思考未來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)的熟悉且可推斷的方法。人們已不再滿足于開發(fā)更低納米數(shù)的芯片生產(chǎn)工藝，很多研究人員和工程師正在為下一代芯片的生產(chǎn)而評(píng)估各種化學(xué)元素的組合方案，甚至研究把生物細(xì)胞單元與半導(dǎo)體材料結(jié)合起來(lái)的可行性。
現(xiàn)在看來(lái)，半導(dǎo)體器件始終朝更快、更小和更便宜的方向前進(jìn)，無(wú)論從技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)的角度而言都正在帶來(lái)越來(lái)越多的問(wèn)題。此外，從市場(chǎng)、應(yīng)用和更重要的全球視角來(lái)看，半導(dǎo)體工業(yè)和整個(gè)世界正在向多元化的方向發(fā)展，更智能、更易于使用和更方便互聯(lián)的半導(dǎo)體器件將成為推動(dòng)下一波應(yīng)用的主要力量。從應(yīng)用來(lái)看，全面整合娛樂(lè)、移動(dòng)通信和計(jì)算功能的新增長(zhǎng)引擎強(qiáng)調(diào)“連接性”，尤其是普遍的互連，不僅針對(duì)消費(fèi)電子，而且?guī)缀醢ㄋ蓄愋偷膽?yīng)用。
即便硅材料上的摩爾定律離我們漸行漸遠(yuǎn)，也絲毫不會(huì)妨害技術(shù)進(jìn)步的未來(lái)。隨著量子芯片、超導(dǎo)芯片、生物芯片等等新興技術(shù)的興起，其它材料上的廣義摩爾定律是否依然會(huì)高揚(yáng)進(jìn)步的旗幟，我們拭目以待！
