计算芯片的发展--摩尔定律的终结(一)
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- 2025-05-06 16:14:30
摩尔定律，芯片业的圣经，预言了芯片的演进与规模。这一定律自1965年被提出，一直准确预测着芯片产业的发展。戈登·摩尔在仙童半导体公司工作时发现，芯片上晶体管数量以指数级增长，即每18个月翻一番。这一发现被公认为摩尔定律，预示了芯片成本降低速度与产量和集成度提高的关系，推动了个人电脑、互联网、智能手机、智能家电等领域的革命。
1975年，在IEDM会议上，摩尔通过数据证实了摩尔定律的准确性，并预计十年后芯片上将集成数百万个晶体管。这一定律不仅预测了芯片产业的发展、规模和复杂性，也预测了整个产业的规模。尽管看似自然，其实很大程度上是芯片制造商人为控制的结果。芯片产业按摩尔定律发展，既满足了软件开发商的挑战需求，又给制造商留出了研发下一代芯片的时间。
推动芯片产业按摩尔定律发展的关键因素包括市场、电脑时代的需求、芯片在其他领域的广泛应用等。然而，当前摩尔定律面临巨大挑战。主要原因包括热量管理、能耗要求与量子效应。
随着芯片工艺制程缩小，热量问题日益严重，传统解决方案失效，芯片开始过热。为了适应低能耗要求，移动设备的电源管理电路优化了能耗。同时，云服务器对微处理器提出更高要求，挑战了传统芯片制造商。市场变化使得厂商需要制造更多种类、销量较小的产品，导致成本问题。量子效应的出现使得过去积累的芯片设计、工艺和生产技术不再有效，未来芯片发展方向充满不确定性。
芯片制程即线宽，是衡量技术节点的重要指标，也是芯片技术的核心。光刻技术在其中扮演关键角色，决定了临界尺寸或最小特征尺寸。摩尔定律要求每18个月工艺制程缩小70%，即标度因子S=0.7来自√2。在工艺大于0.35微米时，缩小因子为√2，标志着每一代技术进步。最新的微处理器特征结构仅7纳米，远小于许多病毒的尺寸（100纳米）。当栅长小于10纳米时，器件尺寸和材料成分的敏感性增加，硅基芯片在5纳米特征尺寸时，量子效应显现，传统硅器件失效。
面对传统方式的挑战，半导体产业在全球范围内探索创新，以超越摩尔定律。以下是全球半导体产业的主要创新方向：
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