英特爾公司創(chuàng)辦人之一戈登·摩爾曾經(jīng)預言，芯片的晶體管數(shù)量大約每隔一年半到兩年時間將增加一倍，這一規(guī)律被稱為“摩爾定律”。至今，半導體產(chǎn)業(yè)芯片技術(shù)的發(fā)展進程大致符合這項定律，產(chǎn)業(yè)界不斷推出運算速度更快、功能更強大、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17億個。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)品也將升級至45納米。
半導體產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，使芯片設(shè)計和制作工藝不斷追求尺寸越來越小、功能越強、耗電量越小、散熱越少。但要在納米尺度的細小芯片上實現(xiàn)晶體管數(shù)目不斷成倍增長、線路與線寬越趨細薄，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)將無法控制無限微小化的電路，因而，在技術(shù)與經(jīng)濟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，提升芯片效能、減少耗電與散熱等，將是半導體產(chǎn)業(yè)未來極為關(guān)注的一項挑戰(zhàn)。
芯片設(shè)計也不僅僅是一項硬件的設(shè)計工作，未來將包含更多的軟件設(shè)計工作，軟硬件共同設(shè)計，相互融合，將使未來的芯片功能更強，更能產(chǎn)生突破性發(fā)展和新產(chǎn)品的創(chuàng)新運用，這也將是未來芯片設(shè)計產(chǎn)業(yè)蛻變發(fā)展的一項新挑戰(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》報告預測，半導體產(chǎn)業(yè)科技的摩爾定律至少還將會盛行10年。芯片設(shè)計師通過設(shè)計新的工藝結(jié)構(gòu)，將新的化學物質(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年代以來最重要的技術(shù)突破進展。
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用在計算機上，還能運用在消費類電子設(shè)備上。結(jié)合了運算能力與節(jié)能的微處理器，可讓諸如手機等電子設(shè)備長時間播放影片，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)，供個人計算機與服務(wù)器使用。此項技術(shù)突破與發(fā)現(xiàn)可以突破納米障礙，開發(fā)出儲存、運算速度更快、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，這項半導體芯片40多年來最重大的突破，將使芯片儲存與運算速度在未來10年間不斷地再提高，半導體產(chǎn)業(yè)界也將可以在未來再延續(xù)數(shù)十年來的發(fā)展趨勢，將半導體芯片越做越小，但功能更強、成本更低、更省電且散熱更少。
近年來，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越細，這種非常細的連線已經(jīng)影響到它們處理信號的能力。芯片制造工藝進展到納米尺度，細微芯片溢出電流的問題，就成為摩爾定律能否繼續(xù)生效的重大障礙。
計算機硅芯片的每個晶體管上都設(shè)有一個門，以開或關(guān)來實現(xiàn)電流通過與否，其下以細薄的二氧化硅作為絕緣體，但此絕緣體越細薄，溢出電流會越多，溢出電流會產(chǎn)生熱能散發(fā)出來，使電池耗盡。在最先進的集成電路中，晶體管每秒鐘的開關(guān)速度高達10億次，它們之間的連線幾乎已經(jīng)跟不上這種節(jié)奏。導線越細，沿著它傳輸信號就需要越長的時間，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技術(shù)突破致力于解決這個問題。該項技術(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薄，但仍允許導電電流順利通過，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。
此項技術(shù)突破可使極小的芯片上集成多達10億個以上的晶體管，并減少芯片漏電10倍，電流在晶體管中的速度提升20%%。未來可使手機芯片可以執(zhí)行更高級的運算工作，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進步到噴射式飛機那樣的重大技術(shù)突破。英特爾公司表示，此項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不會停下腳步。
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存導電電流比使用硅效果更佳。IBM公司此項研究的合作伙伴包括美國AMD公司、日本索尼公司和日本東芝公司。IBM公司預定明年起批量生產(chǎn)此類芯片?；诖祟愒O(shè)計的新芯片將具有前所未有的高效能，同時可降低耗電，美國AMD公司也預定于明年年中推出45納米的微處理器芯片。
未來英特爾公司、IBM公司與AMD公司等在此類新芯片競爭上誰擁有更多競爭優(yōu)勢，尚不得而知，但對全球消費者而言，無論誰擁有領(lǐng)先優(yōu)勢，都將受惠于這些創(chuàng)新技術(shù)的多方競爭。
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系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工廠與營建控制系統(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)，平均須花費兩年的時間，投資的成本更高。有了這項新技術(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。這項新技術(shù)可用于改善現(xiàn)場可編程門陣列這類傳統(tǒng)芯片?，F(xiàn)場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。
英國塑膠邏輯公司于今年早些時候宣布已集資1億美元，將興建全球首座以塑膠材料取代硅的半導體制造廠，有朝一日可能終結(jié)硅芯片時代、徹底革新全球電子工業(yè)。
據(jù)稱，目前該公司的技術(shù)比競爭對手的同類研究領(lǐng)先兩年。美國朗訊、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)注塑膠半導體技術(shù)的發(fā)展。這項新技術(shù)，可望使電子電路的價格陡降90%，并且讓“智能型”材料制成的衣物等產(chǎn)品早日問世。豪瑟稱，此技術(shù)可能揭開廉價電子時代的序幕，屆時電路可縫在衣服上，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)的國際硬件廠商仍在不斷地致力于半導體技術(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顯微技術(shù)開發(fā)新一代22納米工藝技術(shù)，可以預期未來將在現(xiàn)有制造設(shè)備投資及改進下，不需再有重大技術(shù)改變與巨額投資，便可在未來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，其運行速度更快。然而，當前存在的挑戰(zhàn)是目前大多數(shù)的軟件還無法利用這種優(yōu)勢。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，也要每兩年將支持并行度翻一番。然而，這對產(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計算機和服務(wù)器借鑒一些經(jīng)驗，但據(jù)阿姆達爾定律表明，軟件支持的并行度卻是有限的。
當然，仍然有其它的選擇。應用軟件能夠處理多個完全不同的任務(wù)，系統(tǒng)可以運行多個應用軟件。軟件和系統(tǒng)都可以預測用戶想要完成的，然而，產(chǎn)業(yè)卻無法像以往那樣發(fā)展了。微軟公司最近正在努力敦促業(yè)界開始解決這一問題。
微軟公司稱，我們當前確實正面臨著確定怎樣去發(fā)展的挑戰(zhàn)，個人計算編程產(chǎn)業(yè)鏈將提升到一個新水平，它將能夠開發(fā)高可靠性、分布式、高并行性的大規(guī)模應用軟件，這大概將是我們在過去20或30年中推出的最具有革命性的技術(shù)。未來版本的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。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。
為了應對以上挑戰(zhàn)，微軟開始轉(zhuǎn)向自家實驗室找尋芯片設(shè)計新來源。微軟自行設(shè)計芯片的計劃有可能顛覆高科技產(chǎn)業(yè)。目前微軟把這項計劃暫稱為計算機結(jié)構(gòu)研究（ComputerArchitectureGroup），由位于華盛頓總部的實驗室和加州硅谷的微軟校園分頭進行。
微軟自行設(shè)計芯片的想法，部分源于微軟構(gòu)思下代Xbox游戲機的設(shè)計。由于新的測試工具越來越發(fā)達，微軟得以隨時對新點子進行測試。例如，研究人員可以利用加州大學柏克萊分校設(shè)計的系統(tǒng)重新設(shè)計芯片，同時省下實際生產(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)品里的計算機運算功能越來越多，為微軟帶來新挑戰(zhàn)和新機會。
近年來，游戲機和手機等產(chǎn)品開始具有計算機運算功能，計算機運算功能不再以桌面?zhèn)€人計算機為中心。當微軟打算進入這些市場時，微軟必須逐漸自行設(shè)計過去外包的軟件、硬件和封裝等項目，而不只是以微軟或Windows品牌做營銷。同時，多核心或多處理器的芯片出現(xiàn)爆炸性成長，使具有并行運算功能的消費性電子商品相繼問世。美國蘋果計算機公司今年6月推出的iPhone手機，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，使用了多項新功能芯片融合設(shè)計，包括核心芯片程序及影像核心處理器、無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)芯片、射頻及基頻芯片、觸控熒幕控制芯片、藍牙芯片等。
加州大學柏克萊分校的計算機教授帕特森稱，這是計算機產(chǎn)業(yè)的歷史時刻。我們正處于計算機產(chǎn)業(yè)革命性改變的時刻，未來的硬件和軟件將具有并行運算能力。計算機工程師逐漸可以用單一芯片作業(yè)，取代過去的整個運算系統(tǒng)。微軟公司最近的芯片設(shè)計在軟硬件設(shè)計工作面臨的挑戰(zhàn)與可能的突破及發(fā)展布局，已呈現(xiàn)改變之勢。
以靈敏的嗅覺意識到芯片設(shè)計產(chǎn)業(yè)即將蛻變，通過軟硬件設(shè)計的相互融合，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
摩爾定律主宰信息產(chǎn)業(yè)的節(jié)奏已經(jīng)30余年了。過去的30年里，從一個只具簡單計算器功能的Intel4004芯片，演化為今天具有超級計算能力的64位芯片，摩爾速度贏得了業(yè)界的信服和敬仰，成為衡量信息時代步履矯健、健步如飛的標志，成為讓大眾領(lǐng)略信息時代飛速發(fā)展的最好、最通俗的解說詞。
但硅芯片上承載電子電路的數(shù)目———無論是否有摩爾定律———都不可能無休止地進行下去。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，摩爾定律在未來10到15年還會繼續(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個分子厚，摩爾認為理論上絕緣層厚度不能比一個分子薄，5個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)帶動半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
數(shù)年前物理學家霍金曾表示，電子產(chǎn)業(yè)面臨兩個限制：光的速度和材料的原子特性。摩爾說，半導體業(yè)目前距離這兩個極限已不太遠。是的，我們正處在一個全新的半導體時代的開端，在這個逐漸開始多元化的新材料時代里，我們也許將無法遵循任何過去曾經(jīng)指導我們思考未來半導體技術(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)而評估各種化學元素的組合方案，甚至研究把生物細胞單元與半導體材料結(jié)合起來的可行性。
現(xiàn)在看來，半導體器件始終朝更快、更小和更便宜的方向前進，無論從技術(shù)還是經(jīng)濟的角度而言都正在帶來越來越多的問題。此外，從市場、應用和更重要的全球視角來看，半導體工業(yè)和整個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)的半導體器件將成為推動下一波應用的主要力量。從應用來看，全面整合娛樂、移動通信和計算功能的新增長引擎強調(diào)“連接性”，尤其是普遍的互連，不僅針對消費電子，而且?guī)缀醢ㄋ蓄愋偷膽谩?
即便硅材料上的摩爾定律離我們漸行漸遠，也絲毫不會妨害技術(shù)進步的未來。隨著量子芯片、超導芯片、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高揚進步的旗幟，我們拭目以待！
（轉(zhuǎn)載）
