【導讀】1965年，英特爾聯合創始人戈登·摩爾(Gordon Moore)預測，計算機芯片的處理能力每兩年就會翻一番。盡管已經過去了50年，摩爾定律仍然有效。2007年摩爾本人在接受采訪時表示："任何高速增長的物理量都會有上限，過去，芯片產業已經克服了許多困難，但是在未來10年或15年，芯片開發將遭遇上限。”摩爾定律真的接近物理極限了嗎？
剛剛過去的4月19日，是家喻戶曉的摩爾定律誕生50周年紀念日。電子和信息技術正深入和觸摸著我們生活的方方面面。從1958年開始的集成電路發明持續引導著電子革命，在很大程度上科技產業似乎都忠實遵守著這個個稱為摩爾定律的東西。1965年，戈登•摩爾從一個化學家轉型成電子工程師，注意到從第一塊集成電路產生以來，每年芯片上集成的晶體管數量大約以兩倍的數量增加。他還大膽預測，這些組件的縮小速度將持續至少十年時間，并于1965年4月19日正式提出。不過，當時并沒有人把這個規律當作定律來看，只是認為是對芯片發展規律的總結。甚至他自己都認為：摩爾定律不是定律，只是一個機遇而已。不過，后來的發展卻不斷驗證了這一說法，使其終于享有了“定律”的榮譽，并修正為為集成電路的集成度每18個月翻一番或者說三年翻兩番。
摩爾定律提出3年后，英特爾公司誕生了，摩爾也成了這個公司的創始人之一。1971年，英特爾推出第一片微處理器Intel 4004至今，微處理器使用的晶體管數量的增長情況基本上符合摩爾定律。人們還發現，這不光適用于對存儲器芯片的描述，也可精確說明處理機能力和磁盤驅動器存儲容量的發展。甚至生物學家們在2013年還將摩爾定律應用到了地球生命復雜性的研究上，他們將摩爾定律中的晶體管換成了核苷酸進行數學計算，結果顯示生命最早出現在100億年前，比地球45億年的預測年齡老得多，也就是說，在太陽系形成之時，可能已經存在著類似細菌的生物體，或者一些存在于銀河系古老區域的簡單核苷酸，通過彗星、小行星或其他太空碎片來到地球，這一假說被稱為有生源說，一直是生命科學中的一個重要流派，從摩爾定律中居然也找到了根據。
數十年來，半導體行業的摩爾定律，主要得益于制造工藝上的天才和壯舉，但是，基礎科學在這方面的重要作用也值得重視，尤其是在今天人們想設法保持這種進步速度的時候更是如此。1940年代，晶體管誕生于美國新澤西州貝爾實驗室，就是因為半導體能帶理論的發展所促成的。1959年，美國仙童公司首先推出了平面型晶體管，1961年又推出了平面型集成電路，在研磨得很平的硅片上采用一種“光刻”技術來形成半導體電路的元器件，只要“光刻”的精度不斷提高，元器件密度也會相應提高，從而具有極大的發展潛力，因此平面工藝被認為是“整個半導體的工業鍵”，也是摩爾定律問世的技術基礎。科學家們在之后持續突破，為這個技術發展的一個重要部分助力，1970年俄羅斯物理學家Nikolay Basov等開發了準分子激光，可用來腐蝕硅片上的微小電路。
1990年代，人們就感覺發展瓶頸要來了，呼吁進一步創新。在此之前，隨著晶體管變得越來越小，其速度和能源效率持續增加。但當組件達到約100微米時，小型化出現相反的效果和糟糕的表現。摩爾共同創立的英特爾公司與IBM再次重視通過基礎科學尋找提高晶體管性能的材料。后來在凝聚態物理學家們的幫助下，他們知道了當晶格拉伸時硅導電能力可大幅度提高。
2000年代，由于應變硅技術的引入，摩爾定律又真的持續了好多年。到目前為止，半導體行業的發展從未停頓下來，晶體管繼續縮小，電腦芯片也結合了越來越多的性能和功能。現在最先進的微處理器晶體管只是10-14納米寬，預計2023年可以到4納米至6納米的工藝制程。余熱已成為一個限制因素，這導致摩爾定律中有關“計算機時鐘速度的指數增長”已經不靈了。耗電芯片也限制了其在移動設備上的應用。隨著3D芯片等技術的耗盡，美物理學家稱該定律將在10年內崩潰，也就是說，摩爾定律正在接近物理極限，需要真正的物理創新來突破。
氧化鉿在只有幾個原子厚的時候也具有絕緣作用，引入這種先進材料可保持芯片涼爽。這些努力可能會帶來一代或兩個以上更小晶體管的產生，也許只有5納米的大小。但之后想進一步提高性能需要全新的物理學支持。再往前如何走？也許是使用量子隧道效應的晶體管，其中電流傳輸的是量子自旋而不是電荷。世界各地的實驗室都在尋找可大大降低能耗的方法和材料。其中一個方式是利用原子集體“拓撲”屬性的固有穩定性，這是古代在傳遞信息中所采用的結繩編碼實踐的現代解讀。一些研究人員正在嘗試最基本的“神經形態”電路架構，這是來自大腦神經網絡可塑性的靈感。
一個在物理實驗室能完好運轉的法則未定能轉化為批量生產的途徑，而且今天大多數的努力和嘗試可能最終將一無所獲，這是不可避免的。然而，社會應該有信心，也許在某個地方不知何故，基礎科學將提供一種維持這種人類進步的模式。摩爾應該感到自豪是，因為我們到目前為止還沒有發現他這個定律出現異常。
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