芯片已发展到2nm,摩尔定律会失效吗?芯片技术无法突破了吗?

2nm,2纳米,相当于2乘10负9次方米。

2nm芯片是指光刻机每次曝光时留下介质层的间距,不是指整个芯片大小只有2nm。例如如果用7nm的光刻机,要实现2nm的芯片,需要最少曝光4次。

摩尔定律:是指当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

尽管这种趋势已经持续了超过半个世纪,摩尔定律仍应该被认为只是观测或推测,而不是一个物理或自然的法则。预计到2020年(今年)之后,随着光刻机技术的提高,摩尔定律将被颠覆,也许6-8个月或者更短4-6个月,芯片可容纳的元器件的数目就会翻一倍。

从理论上说,可以做到1nm的芯片或者更小,但是成本会成倍增加。例如如果用7nm的光刻机实现1nm的芯片至少要曝光7次,而芯片的成本主要取决于曝光次数。所以2nm的芯片是成本和技术比较合理的一个匹配关系,但不是技术的瓶颈或极限。

“芯片技术的下一次革命,这是上帝派发给中国人的任务。”这是我在大学里遇见的一位老师的原话。接下来我就问:突破摩尔定律的路线是什么?他的回答是有两条:一 是继续沿着摩尔定律往下走,虽然艰难,但摩尔定律的天花板人类尚未触及;二是从芯片材料上进行突破,或从硅基芯片向碳基芯片过渡,甚至未来不排除使用量子材料和量子技术;三是从理论上彻底突破半导体理论。

关于摩尔定律

摩尔定律并非物理学意义上的定律,它是一种经验性的定律,指的是积体电路中可容纳的电晶体数目,约 18 个月增加一倍,而这个定律主导科技产业数十年。

从摩尔定律早期来看,这一定律极大地促进了芯片半导体产业的快速发展,人类通过科学家们的聪明才智,不断接近摩尔定律所设定的“天花板”。然而,当芯片专家一次次将芯片半导体的设计制造水平推进到触及“天花板”——摩尔定律的极限时,却从未有人直接触及到这个“天花板”。喝了多少年的摩尔定律失效,以及近年来人们所认定的7nm技术即为摩尔定律的“天花板”,然而,中国华为刚刚推出华为Mate40手机使用的麒麟9000芯片,已经使用了5nm技术,而著名的芯片制造代工厂台积电,则基本上已经突破3nm\2nm的芯片制程工艺。当然,人们仍然不知道2nm是否就是摩尔定律的“天花板”。

芯片制造所谓的7nm、5nm是什么意思?

nm指的是制造CPU或GPU的制程,或指晶体管门电路的尺寸,单位为纳米(nm)。越小的nm表示更先进的制造工艺,更先进的制造工艺可以使CPU与GPU内部集成更多的晶体管,使处理器具有更多的功能以及更高的性能;更先进的制造工艺会减少处理器的散热设计功耗(TDP),从而解决处理器频率提升的障碍。

简单来说,芯片单位面积能够容纳的晶体管的数量越多,表明这种工艺越先进。并且可以带来更强的性能以及更低的功耗。

通常意义上,人们认为7nm已经达到了摩尔定律的极限,事实上,现在所谓的7nm\5nm也并未达到晶体管容量大幅度同比例升级的程度,属于降级芯片。

芯片技术能否突破摩尔定律?

据说,现在芯片制造是一个平面的产物,就相当于过去人们在有限的土地上盖平房,于是有人开始研究楼房建造技术,之于芯片,虽然在平面上不能再进行扩展了,但完全可以通过堆叠技术,让芯片变得更立体。

当然,还有一种新说法,如果石墨烯电池技术能够取得突破,充一次电可以用一周的时间,人们就不会受限于芯片的能耗,便只需要考虑芯片的功能,而不在意芯片的耗电性。

总之,我觉得芯片制造技术一定能够突破摩尔定律,未来的发展有可能不再遵循摩尔定律。

摩尔定律一定会失效,因为物理规则和制造工艺不允许无限倍增而没有止境。

摩尔定律不是科学意义上的公理,它只是英特尔创始人摩尔的经验之谈,将其称之为“摩尔规律”更合适一些。

他认为:集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每经过18个月便会增加一倍,因此处理器的性能每隔两年翻一倍,如此不断更新。

从1965年开始,如他预言般摩尔定律一直在兑现着性能翻番的神话,但是进入2010年代后,摩尔定律的脚步明显愈来愈慢。

在近10年内,它遇到过几次危机

10年前我们觉得65nm工艺是极限,因为到了65nm节点二氧化硅绝缘层漏电已经不可容忍。所以工业界搞出了HKMG,用high-k介质取代了二氧化硅,传统的多晶硅-二氧化硅-单晶硅结构变成了金属-highK-单晶硅结构。
5年前我们觉得22nm工艺是极限,因为到了22nm沟道关断漏电已经不可容忍。所以工业界搞出了finfet和FD-SOI,前者用立体结构取代平面器件来加强栅极的控制能力,后者用氧化埋层来减小漏电。
后来我们觉得7nm工艺是极限,因为到了7nm节点即使是finfet也不足以在保证性能的同时抑制漏电,所以工业界用砷化铟镓取代了单晶硅沟道来提高器件性能。

现在继突破5nm之后,台积电宣布2nm工艺获得了重大突破!它采用全新的多桥通道场效晶体管,又称为MBCFET架构,解决finfet因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。

这几次突破所用的时间,已经让摩尔定律延长为三年翻倍了,那么,2nm之后,是否还能继续向上突破,继续攻克1nm,甚至再继续突破呢?

可以的,理论上我们可以达到的极限是单原子电子器件的尺度0.1nm

但是这也是我们未来的极限,尽管理论上我们可以用量子力学算出任意一种单原子的电子云分布,计算出所有理化性质,但是实际上可以用来做器件的原子都太复杂了,我们解不了那个薛定谔方程。
并且工程上,虽然在实验室里偶尔能制备出这种单原子器件,但是温度得在零下100多度,而且失败率太高。

所以,到了这里,摩尔定律必然停止。还想要再向上突破,首先需要在理论物理上获得巨大的突破,未来有可靠的理论描述原子核的导电性质了。我们才能有用原子内部的原子核作为电子元器件的机会。

至于更遥远的未来,如果科学可以突飞猛进,也很可能可以搞定亚原子级别的电子器件,当然目前来说,这只是一个科学幻想。

回到现实

当我们说工艺已经到达极限时,是指在现有的结构、材料和设备条件下的局限,然而半导体行业在之前每次遇到瓶颈的时候,工业界都会引入新的材料或结构来克服传统工艺的局限性。当然这里面的代价也是惊人的,每一代工艺的复杂性和成本都在上升,这些都是在现有的冯诺依曼体系下,进行的一系列改进和革新。

下图,谷歌的量子计算机

而2nm之后,这一体系将面临一座无法翻越的大山,那就是如何从经典物理进入量子物理领域。

科技上,晶体管的微小化将会产生诸多的量子效应,导致晶体管的特性难以控制,并且量子隧穿效应会非常严重,这让晶体管漏电成常态化,再加上无处不在的电子迁徙现象,2nm制程已经成为一座极其难以跨越的高山。

而打通经典和现代物理之间的通道,我们目前依然茫然无绪。科学的停滞,现在看来是必然落后于摩尔定律了。

这一时刻需要等待多久呢?智人从30万年前诞生,直到近100年终于迎来了一次科技大爆发,现在,到了需要再一次爆发的时候了。这两次爆发之间的停滞期需要多久,没有任何经验可以借鉴。

但是,如果我们放弃冯诺依曼体系,转而另起炉灶呢,量子计算机让我们看到了一道光芒。很可能,新的摩尔定律会率先开始历史性的新征程。

感谢您的阅读!

【芯片技术已经突破2nm,“自然法则”摩尔定律怎么可能失效了呢?】

摩尔定律是什么?如果了解了这个内容,对于我们了解摩尔定律是非常有必要的,也对于了解到底摩尔定律是不是“自然法则”有很重要的理解。

摩尔定律非自然法则,我们需要知道的是,摩尔定律是——

当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

但是,我们原以为它是自然法则,实际上它是一种价格规律,并非是自然法则。甚至于它是某个阶段的价格规律,并非是一尘不变的,不可改变的法则。可是,就算法则,依然可能被打破,比如牛顿的力学和爱因斯坦的相对论,实际上就是一种打破和被打破的关系。


我们以台积电为例,台积电目前已经在进行5nm工艺制程生产,并且台积电方面表示,已经开启2nm工艺研发,预计4年后也就是2024年问世,并且3nm将在2021年市场,2020年量产,0.1nm在预计在2050年投产。

其实,摩尔定律用台积电研发负责人、技术研究副总经理黄汉森的话:毋庸置疑,摩尔定律依然有效且状况良好,它没有消失、没有减缓、也没有带病。

但是,我们也需要时代的变化,比如我们长期所说的工艺水平的XXnm说法并不准确,晶体管栅极的影响也不仅仅是工艺制程这一块了,它更多的是多种内容相关了。

失效的并不是摩尔定律,(摩尔定律非不可改变法则),而进步的技术会让某些时刻被证实的理论有错误。

谢谢您的问题。芯片发展到2nm,摩尔定律会以新的形式存在。

技术方面的摩尔定律。这里面有物理定律的发挥作用,讲的是摩尔定律大致体现了集成电路容纳的晶体管数目,18个月约增加1倍。由于台积电在2nm之后会怎么走,没有确切消息。部分人认为2nm是物理极限,标志着摩尔定律的消失。不过这种假设都是立足于同等材料硅晶体,如果今后换做石墨烯、硅烯等新材料,摩尔定律可能又会回到新起点,重新奏效。

成本方面的摩尔定律。大致是说,每18个月芯片的运算性能提升一倍,成本或者价格会降低一半。这个角度的摩尔定律是必然的,芯片技术进步与普及,需要廉价,这是其生存的根本条件。万物互联,芯片会搭载于众多终端,芯片价格会不会像雷军说的像沙子一样?

摩尔定律关键要看性能。芯片所搭载的终端性能有用,是摩尔定律延续的根本原因。目前手机性能过剩,就会有新的技术和应用出现,带动用户购买,倒逼芯片进步。随着人工智能等技术嵌入芯片,摩尔定律的内涵可能会发生变化。反正,如果芯片技术停滞,摩尔定律关于技术与成本的考虑,就缺乏参考价值。

欢迎关注,批评指正。

【“摩尔定律”并不会失效,会继续保持,传统的半导体材料已经无法突破芯片的技术屏障,光芯片才是未来发展发向】

1纳米相当于一根头发丝直径的六万分之一大小,一颗芯片上至少有上百亿个晶体管,且一般来说晶体管的数量越多,性能就越强。


为了在让芯片拥有更强大的处理性能,在单核不能满足使用的情况下,多核心技术被广泛应用。核心数量增加会带来更大的功耗,体积也会相应增加。这个时候只能通过将晶体管做的越来越小,同体积下的芯片就能存放更多的晶体管了,做更多的运算了。

但随着工艺技术的升级,目前ASML的芯片纳米技术已经突破到3nm,2nm技术也在研发。在技术达到一定瓶颈的时候,想要再突破0.01都要付出比之前上百倍的成本代价,这样必然会打破之前的生态平衡。增加成本,实用性就变得不强。毕竟谁也不会花几倍的价钱只为了升级相差不大的性能。

光芯片

在面临这种困难的时候,人类推出了一个新的芯片概念,或将继续推动摩尔定律的前进,那就是光芯片,并且由Intel公司与美国加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)的研究人员成功研发出了世界上首个采用标准硅工艺制造的电力混合硅激光器。这意味着高带宽、高效率的硅光子学设备的障碍取得突破。光芯片相当于普通的芯片传输速度更高,也就意味着每秒计算的次数会更快。甚至是成几何倍数的增长,或许在未来的不就,Intel就不用再“挤牙膏”了。

光量子芯片【原理复杂,可以自行查一下相关资料】

我国在光量子芯片的研究领域中,已经领先在全球之上,

由上海交大金贤敏团队通过飞秒激光直写技术制备了节点数多达49×49的三维光量子计算芯片。这种世界最大规模的光量子计算芯片,使得真正空间二维自由演化的量子行走得以在实验中首次实现,并将促进未来更多以量子行走为内核的量子算法的实现。

这也代表着未来我们被美国芯片卡脖子的时候就要结束了。

最后说一下

在纳米工艺达到瓶颈,也就是说开发成本超过了使用成本的时候,光芯片和量子芯片就成了未来发展的重要方向,并且在运算性能上也会有一个质的提升。

一、芯片的构成,工艺代表着什么

众所周知,大家知道芯片是由晶体管构成的,晶体管的大小是不变的。而晶体管由源极、漏极和位于他们之间的栅极所组成,如果严格的来讲,制程工艺就是指源极到漏极的宽度,也就是栅极的宽度。

所以芯片工艺越小,这个栅级越小,对工艺技术的要求也就越高。

但是,大家也清楚,硅基芯片中的晶体管,最终还是由硅原子组成的,最小的晶体管也至少要比硅原子大吧,目前已知硅原子的直径大约是0.22nm,再考虑到原子之间的距离,理论极限至少是0.5nm。

所以说芯片工艺的极限应该在0.5-1nm之间,再小是不太可能的了,毕竟晶体管大小是摆在这里的。

二、发展到极限之后,该怎么突破?

上面已经讲过了,芯片的极限可能在1nm左右。但达到了这个极限之后又该怎么发展呢?

目前已知有两种技术,一种是光电子和微电子结合,或者光电子芯片,还是基于硅来制造的芯片。另一种是碳基芯片,基于碳来制造的芯片。

由于材质的不同,所以芯片的原理,工艺都有可能会改变,就不会遵行这个所谓的极限了,可能追求的又是另外的技术了。

    芯片发展到2nm,摩尔定律失效,芯片工艺停滞不前,那么我国有足够的时间追赶西方先进技术,甚至实现弯道超车吗?下文具体说一说。

    科普:制程工艺

    首先,我们要了解什么是制程工艺,所谓的7nm、5nm指的是什么,比拇指还小的芯片集成了上百亿的晶体管,这些晶体管长什么样子。单个晶体管的结构如下图所示▼。

    众所周知,在计算机世界里,只有0和1,在晶体管的结构中,电流从Source(源极)流向Drain(漏极),而Gate(栅极)相当于闸门,控制电流从源极流向漏极,通电表示1,断电表示0。栅极的宽度决定了电流通过时的损耗,表现出来就是手机常见的发热和功耗,这个栅极的宽度,也叫删长,就是我们常说的xx nm工艺的数值。

    半导体的工艺极限

    摩尔定律:集成电路上可容纳的晶体管数据,每隔两年都会增加一倍。虽然摩尔定律持续到了2020年,不过,自从2013年开始,CPU制程已经放慢了技术更新的脚步,之后的时间里,晶体管数量密度每三年增加一倍。

    硅基半导体发展的60年中,10nm、7nm、5nm、3nm,甚至是2nm都被当做硅基工艺的极限,现在看来一步一步都被突破了。台积电的研发负责人说“半导体的工艺极限可能是0.1mm,也就是氢原子的尺度,要到2050年才能实现”。

    1nm之后的工艺可能是硅基半导体的终结,再往下就要换材料了,比如纳米管、碳纳米管等,早在2017年,IBM的科研团队在实验室环境中就造出了1nm晶体管,采用了碳纳米材料。


    目前,我国最先进的光刻机是上海微电子的90nm光刻机,与荷兰的ASML的最先进的7nm EUV光刻机有至少15年的差距。我国大陆的晶圆代工厂中芯国际,高端光刻机仍然来自于荷兰ASML,在代工芯片是受到了诸多限制,不能代工军用芯片、不能代工国产自主可控芯片等等。因此,只有实现了光刻机技术的突破,才能避免被“卡脖子”。

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从经济学角度来看,摩尔定律只要有钱烧肯定就不会失效,从科技角度来看,科技是推动社会发展的第一生产力,只会不断的向前发展,所以摩尔定律不会失效,肯定还会有新技术等待突破。

芯片制程工艺从90nm到现在的7nm可以说一直是遵循着摩尔定律,而在这之前,就连当时提出提出了摩尔定律的戈登·摩尔本人,都认为摩尔定律将在2020年左右失效。但现状是台积电已经着手准备生产5nm的芯片了。

这里有一个简单的物理定律就是,当芯片再想成倍缩小时,芯片上的设计元素就和10个独立原子差不多大,电子会变得非常不稳定,或许可以将芯片做到0.1nm,但是能不能正常工就很难说了。

所以,如果想把芯片做的更小的话,唯一的突破点就是材料。工艺制程突破物理极限之后,再想寻求新的制造技术就不能单纯的从晶体管上做文章了,毕竟已经小到了2nm。在这样的情况下,只能从材料上入手,通过改变材料从而改变特点,进而再有所突破,而在2nm之后,可能会开始运用其他新材料,如石墨烯,硅烯等黑科技材料。

即使芯片硅工艺将走到尽头,未来仍可能有多种替代方案来接替硅的位置,并使摩尔定律继续延续下去,但就现在而言,究竟哪种材料会首先接替硅的位置,暂时还有待考证。

要回答这个问题,首先得搞清楚,什么是摩尔定律。

摩尔定律的大意是:在价格不变的情况下,集成电路上容纳的元器件数量,在18~24个月增加一倍,性能也提升一倍。换句话说,就是每一美元所能买到的电脑性能,在18~24个月翻一倍或一倍以上。

但实际情况是,在2013年的时候,这个摩尔定律就已经失效了,因为在那一年不仅电脑价格,连同芯片更新速度都变慢了。

目前,芯片最新技术是3nm,理论上说,传统硅材料半导体再深挖单位面积上可以容纳的电子元件,已来到天花板,空间不大。

所以,未来再有突破,必须翻越眼前天花板,从材料到制造环节全面突破,否则,不可能成倍提升单位面积容纳电子元件的数量。

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