晶體管尺寸接近原子水平 摩爾定律下制造頂級(jí)芯片越來(lái)越貴

3月8日消息，芯片制造行業(yè)的摩爾定律已經(jīng)快要觸及物理極限和經(jīng)濟(jì)極限。雖然芯片制造商還能繼續(xù)壓縮芯片上的晶體管尺寸，但制造最先進(jìn)芯片的成本一直在增加，每個(gè)晶體管的生產(chǎn)成本已經(jīng)停止下降，現(xiàn)在正在開(kāi)始上升。

在芯片技術(shù)發(fā)展的早期階段，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)曾在1965年作出假設(shè)，集成電路上的元件數(shù)量將每年翻一番，后來(lái)被修正為大約每?jī)赡晷酒系木w管數(shù)量會(huì)增加一倍。這就是現(xiàn)在眾所周知的摩爾定律。幾十年來(lái)，芯片行業(yè)一直在進(jìn)步，制造出一度難以想象的設(shè)備，然后按著摩爾定律穩(wěn)步推進(jìn)。

蘋(píng)果公司高端筆記本電腦所搭載的M1 Max芯片擁有570億個(gè)晶體管?？s小芯片尺寸方面的技術(shù)一直在穩(wěn)步發(fā)展，如今數(shù)萬(wàn)個(gè)晶體管可以放置在一個(gè)比頭發(fā)絲還細(xì)的地方。晶體管體積更小，也讓芯片處理速度更快、價(jià)格更低廉，使計(jì)算能力和生產(chǎn)力得到指數(shù)級(jí)提升?，F(xiàn)在，用戶(hù)口袋里的智能手機(jī)處理性能比50多年前幫助人類(lèi)登上月球的大型計(jì)算機(jī)還要好，而且成本只是后者的零頭。

多年來(lái)，很多人都曾預(yù)言摩爾定律行將終結(jié)，但芯片制造商不斷突破技術(shù)極限，找到儲(chǔ)存更多計(jì)算能力的新方法。最新的極紫外(EUV)光刻技術(shù)使用波長(zhǎng)更短的光在晶圓上蝕刻超細(xì)圖案。荷蘭公司ASML是唯一一家為芯片制造商生產(chǎn)EUV設(shè)備的公司。每臺(tái)設(shè)備的成本約為1.5億美元。但在全球芯片制造商爭(zhēng)相增加產(chǎn)能之際，公司積壓了大量設(shè)備訂單。

隨著晶體管尺寸接近原子水平，芯片制造似乎不可避免地將達(dá)到某些物理極限。如今，晶體管之間的距離以幾十納米為單位，而一納米大約只有5個(gè)硅原子的寬度。

在物理學(xué)定律最終終結(jié)摩爾定律之前，經(jīng)濟(jì)學(xué)定律可能也會(huì)終結(jié)摩爾定律。制造最先進(jìn)芯片的成本一直在增加，隨著技術(shù)的每一次迭代而變得越來(lái)越昂貴。

“摩爾定律從技術(shù)上講或許還能繼續(xù)，但從經(jīng)濟(jì)角度講，這是行不通的，”半導(dǎo)體行業(yè)分析師道格拉斯·奧勞克林(Douglas O’laughlin)表示。

制造每一代芯片都需要更多的流程。這意味著，由于生產(chǎn)過(guò)程中涉及數(shù)千個(gè)復(fù)雜步驟，出現(xiàn)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)在不斷增加，產(chǎn)量會(huì)隨之降低。幾十年后，每個(gè)晶體管的生產(chǎn)成本已經(jīng)停止下降，現(xiàn)在正在開(kāi)始上升。

同時(shí)，建造一座最先進(jìn)芯片制造工廠的成本可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)100億美元。除了資金最充裕的公司，這一成本對(duì)所有公司來(lái)說(shuō)都是難以承受的。目前全世界只有三家公司在嘗試。

臺(tái)積電預(yù)計(jì)，今年的資本支出將達(dá)到400億至440億美元。三星電子則計(jì)劃投資170億美元在美國(guó)德克薩斯州泰勒市建造一座芯片制造工廠。英特爾將在俄亥俄州建造兩家芯片工廠，初步投資為200億美元。

也許摩爾定律不再是思考芯片行業(yè)進(jìn)步的正確方式，解決問(wèn)題的方法畢竟不止一種。例如，設(shè)計(jì)者可以制造出更適合各種具體任務(wù)的芯片。蘋(píng)果為iPhone、iPad以及Mac電腦自行設(shè)計(jì)處理器，從而取代英特爾的通用處理器，從而有效證明了這一點(diǎn)的可行性。定制化芯片可以比標(biāo)準(zhǔn)芯片更好利用設(shè)備的計(jì)算能力，對(duì)于蘋(píng)果這種能控制設(shè)備軟件的公司更是如此。

芯片制造商也可以采用一種“小芯片”的方法，通過(guò)把CPU的部分功能剝離開(kāi)來(lái)，并將這些小芯片與內(nèi)存以及其他以更便宜方式制造的高性能組件打包整合，從而提高系統(tǒng)的整體性能。

市場(chǎng)研究公司SemiAnalysis首席分析師迪倫·帕特爾(Dylan Patel)表示：“在芯片制程工藝領(lǐng)域，現(xiàn)在有一個(gè)’金發(fā)女孩效應(yīng)’(意為不追求極端，恰到好處)，不同的工藝節(jié)點(diǎn)實(shí)際上更適合不同的應(yīng)用。”“縮小整個(gè)芯片的體積，或者把所有東西都放在更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)上，實(shí)際上成本更高，而且并不一定意味著有更好的性能和功耗。”

此外科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，使用像氮化鎵這樣的新材料來(lái)取代硅，可以以更低成本繼續(xù)在單個(gè)芯片上封裝更多晶體管。另一個(gè)可能的材料是碳納米管，這種用石墨烯制成的管狀結(jié)構(gòu)直徑只有幾納米。

人們習(xí)慣于通過(guò)“定律”來(lái)描述某一現(xiàn)象的不可改變，但摩爾作出的預(yù)測(cè)更像是一個(gè)預(yù)言。多年來(lái)，芯片行業(yè)參與者一直在盡其所能努力實(shí)現(xiàn)這個(gè)預(yù)言。幾十年前看起來(lái)像魔術(shù)、現(xiàn)在已經(jīng)司空見(jiàn)慣的設(shè)備在20年后并不見(jiàn)得仍是技術(shù)前沿。

摩爾定律的狹義定義可能無(wú)法繼續(xù)下去，所幸人類(lèi)的聰明才智是無(wú)限的。(辰辰)

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