1965年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)在撰寫報告時發(fā)現(xiàn)，每個新的芯片上可容納的晶體管數(shù)目大體是其前代數(shù)量的兩倍，每個芯片產(chǎn)生的時間都是在前一個芯片產(chǎn)生后的18~24個月內(nèi)，如果這個趨勢繼續(xù)，計算能力相對于時間周期將呈指數(shù)式的上升。

這一定律在行業(yè)后續(xù)發(fā)展中得到充分驗證，據(jù)Intel公司公布的統(tǒng)計結(jié)果，單個芯片上的晶體管數(shù)目，從1971年4004處理器上的2300個，增長到1997年奔騰處理器上的750萬個，26年內(nèi)增加了3200倍。如果按“每兩年翻一番”的速度，這一增長倍數(shù)與理論倍數(shù)也算相當接近。

雖然其包含了“定律”二字，但其本質(zhì)只是摩爾的經(jīng)驗總結(jié)，描述的只是產(chǎn)業(yè)發(fā)展某個階段的規(guī)律，其本質(zhì)并非數(shù)學、物理定律，而是對發(fā)展趨勢的一種分析預測。此外，隨著芯片上集成電路數(shù)目基數(shù)的不斷擴大，這一趨勢也很難繼續(xù)維持。

有行業(yè)人士表示，自2010年左右以來，半導體行業(yè)的發(fā)展速度低于摩爾定律所預測的速度。英特爾前首席執(zhí)行官布萊恩·科贊尼奇(Brian Krzanich)也說這是“摩爾定律發(fā)展史的一部分”。

戈登·摩爾在2005年的一次采訪中表示：“它不可能永遠持續(xù)下去。指數(shù)的本質(zhì)是其必然失效并最終導致災難?！?他還指出，晶體管最終將在原子水平上達到微型化的極限。

那么，是什么因素致使摩爾定律難以為繼呢?

量子遂穿，微觀世界的巨大難題

世界上第一臺通用計算機“埃尼阿克”(ENIAC)于1946年2月14日在美國賓夕法尼亞大學誕生，埃尼阿克占地面積150平方米，總重量30噸，使用了18000只電子管，6000個開關(guān)，7000只電阻，10000只電容，50萬條線。

這樣的體積與今天的電腦相比，堪稱龐然大物，電腦體積的縮小得益于不斷提高的集成度。電子管、電阻、電容等被高度集成在電板上。1978年，人們在不足0.5平方厘米的硅片上集成了14萬個晶體管。隨后，工藝進一步精進，經(jīng)歷了微米時代，人類目前已經(jīng)制造出了5nm的芯片。

這里的5nm代表的是什么數(shù)值呢?

晶體管在工作時，電流從源級(Source)流入漏級(Drain)，這兩極之間用于控制電流的部件叫做柵極(Gate)。其中柵極的最小寬度(也就是厚度)是多少，就表示是幾納米的工藝，如5nm工藝表示晶體管的柵極最小寬度為5nm。

在制造芯片時，需要經(jīng)歷光刻程序，簡單來說就是用紫外線將事先設計好的電路圖刻在硅片上。這些電路就是電子的專屬通道，電路的用途就是將這些微小的電子限制特定路線上。否則電子就會在芯片上“四處亂竄”，這對于芯片這種精密產(chǎn)品來說是致命的傷害。這就好比高峰時期一輛車脫離車流，在人行橫道上亂竄一樣。

想要使摩爾定律繼續(xù)，那么工藝就必須下探到3nm、2nm甚至1nm。根據(jù)《中國科技縱橫》2019年第14其刊登的文章“半導體器件中量子遂穿效應的定量分析”一文得知，用硅制作的半導體絕緣層的穿透深度為4.9nm。

也就是說，如果人類要制造比5nm制程更小的芯片，那么遂穿效應就無法避免。

量子遂穿效應指的是像電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢壘的量子行為，盡管位勢壘的高度大于粒子的總能量。其中勢壘是指勢能比粒子動能還要高的一個區(qū)域，簡單來說就是障礙。

舉例來說，一顆小球從高處順坡向下運動，在其前進路上設置一個小坡(勢壘)。在經(jīng)典力學中，如果要通過這道坡只有兩種可能：一是具備足夠的動能，克服摩擦力和重力，從頂部翻越過去;二是其動能突然劇增，產(chǎn)生出如子彈出膛那樣的能量，瞬間穿過障礙。

這兩種可能性對于能量要求都很大，但是在量子力學中，即便在自身能量不足的情況下，小球也有概率穿越障礙。

這是怎么實現(xiàn)的呢?

根據(jù)量子理論的波粒二象性學說，微觀實物粒子會像光波水波一樣，具有干涉、衍射(指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象，參考水紋拍打在石頭后的傳播軌跡。)等波動特征，形成物質(zhì)波。

波粒二象性是微觀粒子的基本屬性之一。1924年，法國理論物理學家德布羅意(Broglie)提出“物質(zhì)波”假說(因此“物質(zhì)波”也稱“德布羅意波”)，認為和光一樣，一切物質(zhì)都具有波粒二象性。根據(jù)這一假說，電子也會具有干涉和衍射等波動現(xiàn)象，這被后來的電子衍射試驗所證實。

總結(jié)一下，就是說在量子世界中，微觀粒子(當然包括電子)既有粒子性，又有波動性。粒子性使微觀粒子可以被觀測到其在某時間和空間中的明確位置與動量，波動性使粒子具有波長與頻率，這意味著它在空間方面與時間方面都具有延伸性。

那為什么有了波動性就能穿越勢壘?

這個問題的答案可以用薛定諤方程來解釋，這是由奧地利物理學家埃爾溫.薛定諤(Erwin Schrodinger)在1926年時提出的，用來描述微觀粒子的狀態(tài)隨時間變化的規(guī)律，該變化狀態(tài)由波函數(shù)來描寫，薛定諤方程即是波函數(shù)的微分方程。

方程太復雜，就不放出來了。但是該方程揭示了一個結(jié)果，那就是在量子力學中，粒子以概率的方式出現(xiàn)，具有不確定性，而粒子出現(xiàn)的位置就在波上。

當粒子波撞擊到勢壘時，其能量減少，振幅下降，但是在持續(xù)多次的撞擊和勢壘接近無限薄的情況下，在“勢壘”另一側(cè)的振幅會有一定的概率不為零(也就是波還繼續(xù)存在并向前運動)。在這些殘存的波中，就有可能存在粒子。因此，微觀粒子有一定的概率直接“穿墻而過”。

芯片中的量子遂穿具體體現(xiàn)在電子突破電路限制，四處流動，很容易對芯片造成破壞。所以，如果各大廠商將工藝繼續(xù)下探至3nm或者更微觀的制程，量子遂穿問題就不得不解決，否則產(chǎn)品的穩(wěn)定性和良品率就難以保證。

當然，技術(shù)并不是唯一的影響因素。從經(jīng)濟學角度來說，制程的進步是由市場需求決定的，市場有需求，廠商才會投入。工藝越難，需要投入的就資金越多，就需要更大的市場來維持，只要市場能擴張，摩爾定律就可以維持一段時間。

后摩爾時代，下一步何去何從

但是，隨著納米工藝進一步提升，遂穿效應變得越發(fā)明顯，簡單的體積或者數(shù)量累加越來越難解決根本問題。

為了搶首發(fā)推出更小制程的芯片，有的廠商開始在數(shù)字上做文章，此前有廠商推出的7nm芯片被發(fā)現(xiàn)其實制程并沒有達到7nm，而其性能相比于英特爾的10nm芯片也并沒有優(yōu)勢。

除了取巧，也有務實的科學家提出了新的方案。

傳統(tǒng)的晶體管是由硅制成，然而2011年來硅晶體管已接近了原子等級，達到了物理極限，由于這種物質(zhì)的自然屬性，硅晶體管的運行速度和性能難有突破性發(fā)展。

于是，科學家提出了使用碳納米管替代硅材料，這是一種具有特殊結(jié)構(gòu)(徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口)的材料，比硅導電更快，效率更高。

理論上來說，同等量材料下，碳納米管的效率達到了硅的10倍，運行速度是硅的3倍，而其能耗僅為后者的三分之一。

在實際應用方面，人類也已經(jīng)有了突破，2013年，斯坦福大學制造出了第一臺碳納米管計算機，不過其只有178個晶體管。2019年，麻省理工的研究團隊制造出了全球首款碳納米管通用計算芯片RV16X-NANO，擁有14000個晶體管。

不過，這一發(fā)展進度還屬于“初級階段”，該芯片的晶體管通道長度約為1.5微米，這一數(shù)值與1985年發(fā)布的Intel 80386硅芯片一致。雖然碳納米管計算機可能還需要數(shù)年時間才趨于成熟，但這一突破已經(jīng)凸顯未來碳納米管半導體以產(chǎn)業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的可能性。憑借其優(yōu)良的特性，加之成熟的工藝(碳納米管芯片制造工藝與硅芯片的一致)，這一材料的爆發(fā)指日可待。

此外，科學家也提出了自旋電子材料，這是一種利用電子旋轉(zhuǎn)的性能，利用“上”或者“下”的電子自旋方向記錄二進制數(shù)據(jù)的材料。在無任何外力供電的情況下，只需施加微弱電壓，該材料就能保持自身的磁性。

可以看出，這一材料的顯著優(yōu)勢在于其低功耗，只需施加微弱電壓也能有效減少遂穿效應。不過，這一材料目前還處在實驗室階段。

總的來說，當前的硅晶體管還將繼續(xù)存在一段時間。臺積電領導人曾對外表示摩爾定律將持續(xù)到2025年。那么2025年之后又要怎么辦呢?對行業(yè)巨頭來說，除了繼續(xù)探索當前材料的極限，還要做好兩手準備，積極開發(fā)新半導體材料新技術(shù)。