至少過(guò)去十年來(lái)，人們就一直在談?wù)撃柖傻慕K結(jié)以及這將對(duì)現(xiàn)代社會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響。

　　自 1947 年發(fā)明以來(lái)，晶體管就持續(xù)為現(xiàn)代世界提供動(dòng)力，而硅芯片上封裝的晶體管數(shù)量在密度上穩(wěn)步增長(zhǎng)，這使得過(guò)去 70 年里的計(jì)算能力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

　　然而，晶體管是一個(gè)物理對(duì)象，并且是純粹的物理對(duì)象，它像其他所有物理對(duì)象一樣受物理定律的約束。這意味著晶體管的尺寸存在物理限制。

　　但在戈登·摩爾（Gordon Moore）就計(jì)算能力的增長(zhǎng)速度做出他著名的預(yù)測(cè)時(shí)，沒(méi)有人真正考慮過(guò)納米尺度的晶體管。

　　但隨著我們進(jìn)入 21 世紀(jì)的第三個(gè)十年，我們對(duì)在相同數(shù)量的硅中封裝更多晶體管的依賴正在突破物理可能的界限，導(dǎo)致許多人擔(dān)心已經(jīng)讓我們成為習(xí)慣的創(chuàng)新步伐可能會(huì)在不久的將來(lái)戛然而止。

　　晶體管的歷史

　　晶體管是一種半導(dǎo)體，通常具有至少三個(gè)可以連接到電路的端子。通常，其中一個(gè)端子負(fù)責(zé)控制通過(guò)其他兩個(gè)端子的電流，這允許在數(shù)字電路中快速切換。

　　在晶體管出現(xiàn)之前，這種快速的電路切換是使用熱電子閥完成的，熱電子閥通常被稱為舊式真空管。

　　這些真空管三極管比晶體管大得多，并且需要更多的功率才能運(yùn)行。與晶體管不同，它們不是“固態(tài)”組件，這意味著它們?cè)谡＿\(yùn)行期間可能會(huì)發(fā)生故障，因?yàn)樗鼈円蕾囉谠诠軆?nèi)流動(dòng)的電子運(yùn)動(dòng)來(lái)傳導(dǎo)電子電流。

　　這意味著基于真空管的電子設(shè)備體積大、溫度高且運(yùn)行成本高，因?yàn)樗鼈冃枰ㄆ诰S護(hù)以更換因某種原因而發(fā)生故障的電子管，從而使整個(gè)電子機(jī)器停止運(yùn)行。

　　晶體管是在 AT&T 的貝爾實(shí)驗(yàn)室由 John Bardeen 和 Walter Houser Brattain 在 William Shockley 的監(jiān)督下“發(fā)明”的。盡管在此之前，晶體管的概念已經(jīng)存在了大約 20 年——但直到貝爾實(shí)驗(yàn)室完成這項(xiàng)工作后，才建立了晶體管的工作模型。Shockley 在 1947 年的設(shè)計(jì)上改進(jìn)了 1948 年的雙極結(jié)型晶體管，正是這種實(shí)現(xiàn)在 1950 年代首次投入批量生產(chǎn)。

　　下一個(gè)重大飛躍是硅表面鈍化，它允許硅取代鍺作為晶體管的半導(dǎo)體材料，后來(lái)又用于集成電路。

　　1959 年 11 月，貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Mohamed Atalla 和 Dawon Kahng 發(fā)明了金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) ，它比 Shockley 的雙極結(jié)型晶體管消耗的能量少得多，而且可擴(kuò)展性更強(qiáng)。

　　MOSFET 仍然是當(dāng)今使用的主要晶體管，并且作為一個(gè)單獨(dú)的單元，是人類歷史上制造最多的器件。由于 MOSFET 可以做得越來(lái)越小，越來(lái)越多的晶體管可以制造成集成電路，從而實(shí)現(xiàn)越來(lái)越復(fù)雜的邏輯操作。

　　到 1973 年，RCA 研究與工程執(zhí)行副總裁 William C. Hittinger吹噓“在只有幾毫米寬的硅‘芯片’上放置了 10,000 多個(gè)電子元件?！?今天的晶體管密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這些早期的進(jìn)步數(shù)量級(jí)。

　　戈登摩爾無(wú)意中發(fā)明了摩爾定律

　　Gordon Moore 并不是一個(gè)家喻戶曉的名字，但他的作品幾乎遍布工業(yè)化世界的每個(gè)家庭和辦公室。盡管他將繼續(xù)成為英特爾公司的總裁，并最終成為其名譽(yù)主席，但當(dāng)他在 1965 年描述我們現(xiàn)在所說(shuō)的摩爾定律時(shí)，他并沒(méi)有那么受人尊敬。

　　作為一名電氣工程師，摩爾曾在貝克曼儀器公司的肖克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室部門工作，然后由肖克利本人領(lǐng)導(dǎo)。但后來(lái)， Shockley 的幾名員工，甚至是他的一些門徒，都對(duì) Shockley 的領(lǐng)導(dǎo)層產(chǎn)生不滿，于是他們于 1957 年獨(dú)立成立了Fairchild Semiconductor，這是歷史上最有影響力的公司之一。

　　作為飛兆半導(dǎo)體的研發(fā)總監(jiān)，摩爾是詢問(wèn)行業(yè)現(xiàn)狀的自然人，因此 1965 年《電子》雜志請(qǐng)摩爾預(yù)測(cè)十年后半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展方向?？纯?Fairchild 的創(chuàng)新速度，摩爾只是及時(shí)地向前推斷。

　　自飛兆半導(dǎo)體開始制造半導(dǎo)體以來(lái)的幾年中，生產(chǎn)組件的成本下降，組件本身的尺寸每年減少約一半。這使得 Fairchild 每年生產(chǎn)的集成電路數(shù)量一樣多，但晶體管數(shù)量是前一年的兩倍。

　　“我沒(méi)想到這個(gè)估計(jì)會(huì)很精確，”摩爾在 1995 年寫道。“我只是想傳達(dá)一個(gè)想法，即這是一項(xiàng)有未來(lái)的技術(shù)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它有望做出相當(dāng)大的貢獻(xiàn)?！?/p>

　　“我認(rèn)為這對(duì)行業(yè)來(lái)說(shuō)確實(shí)是一項(xiàng)了不起的成就。保持這樣的指數(shù)增長(zhǎng) 35 年，而密度卻增加了數(shù)千，這確實(shí)是很難有把握地預(yù)測(cè)的，”摩爾補(bǔ)充道。

　　摩爾的預(yù)測(cè)在大約十年內(nèi)基本保持穩(wěn)定，之后摩爾將他的估計(jì)修改為每?jī)赡陮⒕w管密度翻一番?！拔覐奈茨軌蚩吹轿磥?lái)幾代[半導(dǎo)體]之外的任何細(xì)節(jié)。然而，令人驚訝的是，一代又一代地不斷涌現(xiàn)，使我們保持在同一個(gè)斜坡上，”摩爾寫道。“目前的預(yù)測(cè)是，這也不會(huì)很快停止?！?這在 1995 年可能是正確的，但不久之后摩爾定律很快就會(huì)開始突破物理學(xué)的界限，它將開始面臨生存挑戰(zhàn)。

　　為什么摩爾定律陷入困境？

　　站在2022 年看摩爾定律，其問(wèn)題在于晶體管的尺寸現(xiàn)在非常小，以至于我們無(wú)法做更多的事情來(lái)使它們更小。根據(jù)臺(tái)灣半導(dǎo)體制造公司 2024 年的生產(chǎn)路線圖，晶體管柵極（電子作為電流流過(guò)的晶體管部分）的寬度現(xiàn)在接近 2 納米。

　　一個(gè)硅原子的寬度為 0.2 納米，這使得 2 納米的柵極長(zhǎng)度大約有 10 個(gè)硅原子。在這些尺度上，隨著各種量子效應(yīng)在晶體管本身內(nèi)發(fā)揮作用，控制電子的流動(dòng)變得越來(lái)越困難。對(duì)于較大的晶體管，原子尺度上的晶體變形不會(huì)影響電流的整體流動(dòng)，但是當(dāng)你只有大約 10 個(gè)原子距離可以使用時(shí)，底層原子結(jié)構(gòu)的任何變化都會(huì)影響電流通過(guò)晶體管。最終，晶體管正在接近我們所能制造的盡可能小并且仍然可以工作的地步。我們一直在構(gòu)建和改進(jìn)硅芯片的方式即將進(jìn)行最后一次迭代。

　　摩爾定律還有另一個(gè)潛在的陷阱，那就是簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)學(xué)?？s小晶體管的成本并沒(méi)有像 1960 年代那樣降低。充其量，它在一代又一代地略有下降，但規(guī)模不經(jīng)濟(jì)開始影響制造。當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體芯片的需求剛起步時(shí)，生產(chǎn)芯片的工程能力很昂貴，但至少是可用的。隨著從智能手機(jī)到衛(wèi)星再到物聯(lián)網(wǎng)的需求猛增，沒(méi)有足夠的容量來(lái)滿足這種需求，這導(dǎo)致供應(yīng)鏈每一步的價(jià)格都上漲了。

　　更重要的是，當(dāng)晶體管的數(shù)量增加一倍時(shí)，它們產(chǎn)生的熱量也會(huì)增加。對(duì)于作為最先進(jìn)處理芯片的最大購(gòu)買者的許多企業(yè)來(lái)說(shuō)，冷卻大型服務(wù)器機(jī)房的成本越來(lái)越難以承受。隨著企業(yè)試圖延長(zhǎng) 其現(xiàn)有設(shè)備的壽命和性能以節(jié)省資金，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)摩爾定律的芯片制造商帶來(lái)的用于研發(fā)的收入減少了——而研發(fā)本身也變得更加昂貴。

　　如果沒(méi)有額外的收益，就更難克服進(jìn)一步縮小晶體管的所有物理障礙。因此，即使物理挑戰(zhàn)不會(huì)終結(jié)摩爾定律，但對(duì)更小晶體管的需求不足幾乎肯定會(huì)終結(jié)。

　　好的，那么我們?cè)谧鍪裁茨兀?/strong>

　　嗯，這就是目前價(jià)值萬(wàn)億美元的問(wèn)題。在過(guò)去的 70 年中，我們經(jīng)歷了前所未有的技術(shù)進(jìn)步，因此在這一點(diǎn)上，幾乎每個(gè)工業(yè)化社會(huì)都將快速的技術(shù)進(jìn)步視為既定條件。

　　你怎么突然停下來(lái)？那會(huì)是什么感覺？30 年擁有相同的 iPhone 意味著什么？顯然，我們可以簡(jiǎn)單地將其作為一個(gè)社會(huì)來(lái)處理。我們的 DNA 中沒(méi)有任何東西要求我們每?jī)傻饺険碛幸徊啃?iPhone，每五年擁有一部全新的電腦。我們只是已經(jīng)習(xí)慣了這種進(jìn)步的速度，如果這種速度發(fā)生變化，我們也會(huì)使自己適應(yīng)這種情況。

　　畢竟，人類擁有計(jì)算機(jī)的時(shí)間只有不到一個(gè)世紀(jì)，大約是我們作為一個(gè)物種在這個(gè)星球上存在的時(shí)間的 1/250,000。我們一定會(huì)找到辦法來(lái)度過(guò)如此艱巨的艱辛。

　　或者，我們可以興奮和期待地期待摩爾定律的終結(jié)。畢竟，逆境是發(fā)明之母。在過(guò)去的 70 年里，我們一直在試圖弄清楚如何越來(lái)越多地縮小晶體管，而現(xiàn)在這條創(chuàng)新之路已經(jīng)走到了盡頭。

　　這絕對(duì)不是唯一的前進(jìn)方向，如果我們不再把所有的努力都放在縮小晶體管上，我們可以把精力放在其他領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)新的突破，相比之下，晶體管的發(fā)明可能顯得平庸。在探索這些新的創(chuàng)新途徑之前，我們不會(huì)知道，而摩爾定律的終結(jié)可能是我們需要的信號(hào)，即是時(shí)候開始尋找新的進(jìn)步引擎了。

　　摩爾定律已死！摩爾定律萬(wàn)歲！

　　歸根結(jié)底，摩爾定律從一開始就不是一個(gè)“定律”，而更像是一個(gè)自我實(shí)現(xiàn)的愿望。我們預(yù)計(jì)晶體管密度每年翻一番，然后每?jī)赡攴环?，因此我們尋找如何完成這項(xiàng)任務(wù)。

　　無(wú)論接下來(lái)是什么，無(wú)論是量子計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能，甚至是我們甚至還沒(méi)有名字的東西，我們都會(huì)找到一個(gè)新的愿望來(lái)推動(dòng)這種創(chuàng)新向前發(fā)展。

　　歸根結(jié)底，我們對(duì)摩爾定律的著迷從來(lái)都不是晶體管的密度。大多數(shù)聽說(shuō)過(guò)摩爾定律的人甚至無(wú)法開始解釋晶體管密度的含義，更不用說(shuō)互鎖晶體管如何形成邏輯電路或口袋里的智能手機(jī)是如何工作的（或者甚至是 1970 年代的袖珍計(jì)算器） . 對(duì)于我們大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，摩爾定律始終是關(guān)于我們對(duì)進(jìn)步的期望，而這在很大程度上取決于我們自己。

　　摩爾定律可能已經(jīng)走到了盡頭，但如果我們非常想要它，我們會(huì)找到一個(gè)新的摩爾定律。