摩爾定律面臨的挑戰(zhàn)

摩爾定律面臨的挑戰(zhàn)目錄1.什么是摩爾定律？2.摩爾定律面臨的挑戰(zhàn)3.新技術(shù)帶來的突破什么是摩爾定律摩爾定律是由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出來的。其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個(gè)月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。盡管這種趨勢已經(jīng)持續(xù)了超過半個(gè)世紀(jì)，摩爾定律仍應(yīng)該被認(rèn)為是觀測或推測，而不是一個(gè)物理或自然法。預(yù)計(jì)定律將持續(xù)到至少2015年或2020年。然而，2010年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖的更新增長已經(jīng)放緩在2013年年底，之后的時(shí)間里晶體管數(shù)量密度預(yù)計(jì)只會(huì)每三年翻一番。定律驗(yàn)收：1975年，在一種新出現(xiàn)的電荷前荷器件存儲(chǔ)器芯片中，的確含有將近65000個(gè)元件，與1965年摩爾的預(yù)言一致。另據(jù)Intel公司公布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，單個(gè)芯片上的晶體管數(shù)目，從1971年4004處理器上的2300個(gè)，增長到1997摩爾定律年P(guān)entiumII處理器上的7.5百萬個(gè)，26年內(nèi)增加了3200倍。如果按“每兩年翻一番”的預(yù)測，26年中應(yīng)包括13個(gè)翻番周期，每經(jīng)過一個(gè)周期，芯片上集成的元件數(shù)應(yīng)提高2n倍（0≤n≤12），因此到第13個(gè)周期即26年后元件數(shù)這與實(shí)際的增長倍數(shù)3200倍可以算是相當(dāng)接近了。摩爾定律面臨的挑戰(zhàn)摩爾定律問世已40多年，人們不無驚奇地看到半導(dǎo)體芯片制造工藝水平以一種令人目眩的速度提高。Intel的集成電路微處理器芯片Pentium4的主頻已高達(dá)2GHz，2011年推出了含有10億個(gè)晶體管、每秒可執(zhí)行1千億條指令的芯片。這種發(fā)展速度是否會(huì)無止境地持續(xù)下去是成為人們所思考的問題。從技術(shù)的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯(cuò)率也將呈指數(shù)增長，同時(shí)也使全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能。一旦芯片上線條的寬度達(dá)到納米（10-9米）數(shù)量級(jí)時(shí)，相當(dāng)于只有幾個(gè)分子的大小，這種情況下材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到盡頭。物理學(xué)家加來道雄（MichioKaku）是紐約城市大學(xué)一名理論物理學(xué)教授，2012年接受采訪時(shí)稱摩爾定律在叱咤芯片產(chǎn)業(yè)47年風(fēng)云之久后，正日漸走向崩潰。這將對(duì)計(jì)算機(jī)處理進(jìn)程產(chǎn)生重大影響。在未來十年左右的時(shí)間內(nèi)，摩爾定律就會(huì)崩潰，單靠標(biāo)準(zhǔn)的硅材料技術(shù)，計(jì)算能力無法維持快速的指數(shù)倍增長。加來道雄表示導(dǎo)致摩爾定律失效的兩大主因是高溫和漏電。這也正是硅材料壽命終結(jié)的原因。加來道雄表示這與科學(xué)家們最初預(yù)測摩爾定律沒落大相徑庭?？茖W(xué)家應(yīng)該能繼續(xù)挖掘硅部件的潛力，從而在未來幾年時(shí)間里維持摩爾定律的生命力；但在3D芯片等技術(shù)也都耗盡潛力以后，那么也就將達(dá)到極限。芯片的功耗包括由CMOS管狀態(tài)改變所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功耗與由漏電流產(chǎn)生的靜態(tài)功耗。其中靜態(tài)功耗包括三個(gè)部分：A、CMOS管亞閾值電壓漏電流所需功耗；B、CMOS管柵極漏電流所需功耗；C、CMOS管襯底漏電流（BTBT)所需功耗。柵極氧化層隨著晶體管尺寸變小而越來越薄，目前主流的半導(dǎo)體制程中，甚至已經(jīng)做出厚度僅有1.2納米的柵極氧化層，大約等于5個(gè)原子疊在一起的厚度而已。在這種尺度下，所有的物理現(xiàn)象都在量子力學(xué)所規(guī)范的世界內(nèi)，例如電子的穿隧效應(yīng)。因?yàn)榇┧硇?yīng)，有些電子有機(jī)會(huì)越過氧化層所形成的位能障壁（potentialbarrier）而產(chǎn)生漏電流，這也是今日集成電路芯片功耗的來源之一。盡管如果晶體管不能繼續(xù)“瘦身”，摩爾定律就會(huì)失效，芯片產(chǎn)業(yè)的后硅元素時(shí)代不應(yīng)當(dāng)被忽視。當(dāng)傳統(tǒng)硅晶體管最終不能繼續(xù)發(fā)展后，芯片還可以采用其他多種元素。

目前，晶體管的源極、漏極和通道是用硅元素制成的，它們也可以由砷化銦、砷化鎵、氮化鎵和化學(xué)元素周期表上第三和第五族的其他元素制成。來自化學(xué)元素周期表中不同的族，意味著晶體管材料有不同的屬性，它們的一大特性是有更高的電子遷移