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宋鸿兵：摩尔定律神话终结，解密背后来龙去脉
■ 文 | 宋鸿兵
咳咳，敲黑板敲黑板，
宋老师又来啦！
……
赶快来看看今天宋老师要给你讲什么
最近两年，我们社会中出现了很多新名词，比如自动驾驶、工业4.0、物联网、大数据、人工智能、虚拟现实等等，可以说我们遭到了新概念的饱和轰炸。但如果我们仔细梳理这些概念，你会发现所有这些概念背后，都有一个共同的物质基础，这就是半导体。
但在这些新概念特别火热的几年中，半导体工业却出现了一种潜流的翻转，主要原因是什么？就是指导半导体行业发展半个多世纪的最重要的规律——摩尔定律，即将不行了。
摩尔定律的诞生
摩尔定律是1965年，英特尔公司的创始人戈登·摩尔，他最先提出了一个大胆的假设，可以说是一种预测。他认为半导体工业中间，芯片上集成的电子元器件，将在未来每过18个月到24个月，可以翻番，也就是计算能力会越来越强大，同时就长远趋势而言，硬件会越来越便宜。
他提出这个规律的时候，当时很多人都不相信。每过18个月翻一番，这个速度太快了，未来能够持续吗？当时有很多人持怀疑态度。不过回过头来看，半个世纪之后，你会发现摩尔定律竟然是惊人的准确。假如当年没有这个摩尔定律，我们现在所熟知的一切，像计算机、互联网，还有手机，还有刚才我们所说到的一切新概念，那还不知道猴年马月才能出现。所以摩尔定律应该是整个半导体工业中，最核心的一个指导性的规律。
不过最近几年，越来越多的人，已经形成了共识，摩尔定律恐怕在未来六七年之后，就将走到它的极限，它的大限到了。我记得去年美国的《自然》杂志，专门有一篇文章谈到了这个问题，讲到了摩尔定律发展的极限问题，以及这个极限到来的时候，将会对全球的半导体工业，形成巨大的冲击。
可以说英特尔公司现在就已经违反了摩尔定律。如果我们细心的朋友，观察周围的计算机销售情况，就已经能够感觉到了。比如说按照摩尔定律，2015年的时候大家就在期盼英特尔公司推出的10纳米技术的CPU，但是左等右等出不来。到了2016年还没有推向市场，2017年现在还不能大量供应，估计大批量供应要到2018年了。
这可以说是影响未来半导体工业发展长期趋势的一个重大的事件。当然了，虽然一些其他的半导体公司推出了10纳米技术，但是如果我们考虑到，英特尔公司是整个半导体工业的心脏，而半导体工业又是驱动整个IT革命的心脏和主要的驱动力，那英特尔公司违反摩尔定律这个事情，就不是件小事了。
摩尔定律为何前途未卜
大家可能会问，既然在过去半个世纪之内，摩尔定律都高度的准确，那为什么我们现在要怀疑它是不是可以持续呢？的确，我们如果从历史上来看，在不同的时间段，摩尔定律都差一点失效，就是因为当时碰到了，各种各样技术问题、工艺问题，还有经济成本问题等等，差一点把摩尔定律逼向了绝境。不过每到关键时候，这些工程师们都会发挥那种天才的想象力，和解决问题的创造力，一次一次的把摩尔定律给挽救回来。
不过这次跟以前的情况，是不一样的，因为这次半导体技术已经发展到10纳米级了。10纳米是什么概念？10纳米应该说比绝大多数病毒还要小，如果按照这样的发展速度来计算的话，根据摩尔定律，到2023年，半导体工业这个精密度，将达到2至3纳米，大概是10个原子并排放的宽度。到达这个宽度意味着宏观的物理学的很多定律就失效了，因为你现在开始深入到微观的量子力学的的地盘上了。
我们都知道，在这么小的空间里面，量子力学发挥作用的时候，电子的运动将会完全失去稳定性，它就没有规律可言了。也就是这次半导体是深入到了量子力学的地盘，它真正是遭遇到了物理上的极限。
在这个极限上，半导体的传统的作法，无论是在工艺上下工夫，还是在资金上投入，你都没有办法克服这个瓶颈，这次摩尔定律是碰到了物理的极限。当然了，还有很多人想拯救摩尔定律，把它挽救回来，办法也有很多。比如说，半导体的物理极限小到这个程度，我们能不能发展3D技术？也就是以前你在芯片上都是平房，我现在把平房改造成楼房行不行？
比如三星他们就在做这个事，把它的内存叠加起来，搞成3D的芯片，这是一种解决问题的思路。因为摩尔定律它遭到极限，有两个原因，第一是它碰到量子力学这个问题，第二是电子在半导体元器件中运动，会产生热量，发热是个大问题。叠加搞3D这个思路，可以有效地缓解发热的问题，但是只是对于某一些元器件管用，比如说存储器。就是你在存和取的时候，只有在那一个瞬间，才用一点点电，所以它的发热问题并不明显。你可以把平房搞成高楼大厦，问题不大。
但是CPU就麻烦了。你要是把8个核的CPU，也搞成高楼大厦，叠加在一起的话，那是在制造火灾，因为它的运算量特别大，就是电子运动特别频繁，所以它产生的热量，是难以用很好的办法，去把这个热量排散掉的。这个就是我们看到3D工业它发展到一定程度，也会遭到极限，在某些领域中是不适用的。
当然还有人提出，我们是不是可以发展新的材料来取代半导体呢？比如说石墨烯。这就是一种新的取代半导体的材料，还有碳纳米管也是类似的思路。也有人提出我们干脆搞成利用电子自旋来解决这个问题，因为电子流动，它一定会发热，如果电子自旋，你比如说你瞬时针转这算1，反时针转我算0，我不让电子流动，不就彻底的解决了半导体发热的问题吗？这个思路当然也可行。还有人说，干脆我们来个革命性的，我们发展量子计算机，我们发展神经元，模拟大脑神经元的这种超大规模并行处理的这样一种算法，和这样一种网络式的计算机，行不行呢？
可以说各种尝试都有，但是到目前为止，不管哪一种尝试，都还有很长的路要走。要离开实验室的大门，还有五年的时间，而且你即便是离开实验室，开始投入商业化，你到产业化布局，还需要多长时间呢？那至少还需要几年时间吧。比如说你如果不用硅了，你要发展全新的材料，那全球半导体工业的整个的布局和构架，就得全部推翻重新来。你要重新形成一种新材料——比如石墨烯——的全球生产体系，和它的配套体系，这需要多长时间呢？而我们所说的摩尔定律，大概只有6到7年时间的寿命了。
你在这么短的时间之内，要走出实验室完成商业化，要完成工业化，完成全球生产体系重新布局，这个时间是无论如何不够的。因此我们现在可以断定，摩尔定律现在是到了应该给它准备后事的时候了。
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