戈登·摩爾在1965年提出摩爾定律時(shí)，其內(nèi)容為半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管數(shù)量將每年增加一倍，1975年，他又根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況對(duì)摩爾定律進(jìn)行了修正，把"每年增加一倍"改為了"每18到24個(gè)月增加一倍"。?摩爾定律發(fā)展至今已有50多年，在這50多年間，不斷有人唱衰，甚至有人提出“摩爾定律已死”的觀點(diǎn)。?今天，我們從兩個(gè)方面看待摩爾定律終結(jié)的原因，一個(gè)是從微觀角度(micro-view)，一個(gè)是從宏觀角度(macro-view)，我們可以稱之為：摩爾定律面臨的兩個(gè)問(wèn)題。
微 觀 問(wèn) 題??Micro-Problem

雖然芯片制造商已經(jīng)使用了各種手段來(lái)跟上摩爾定律的步伐，但還是無(wú)法避免摩爾定律的加倍效應(yīng)已經(jīng)開(kāi)始放緩的事實(shí)，不斷地縮小芯片的尺寸總會(huì)有物理極限：現(xiàn)在最新的制程工藝特征尺寸僅為7nm，而硅原子的半徑為0.117nm，也就是說(shuō)，在7nm工藝的芯片中的晶體管的特征尺寸僅為不到30個(gè)硅原子組成（因?yàn)樵涌臻g利用率的原因，實(shí)際上要更少，詳見(jiàn)后面分析），隨著特征尺寸的進(jìn)一步減少，其數(shù)量還會(huì)進(jìn)一步減少。?

在同等面積大小的區(qū)域里，隨著集成越來(lái)越多的晶體管電路，漏電流增加、散熱問(wèn)題大、時(shí)鐘頻率增長(zhǎng)減慢等問(wèn)題難以解決。

1）特征尺寸是晶體管結(jié)構(gòu)中的最小尺寸嗎？

我們先來(lái)看晶體管的微觀結(jié)構(gòu)，下圖是目前最主流的FinFET（FinField-EffectTransisto）晶體管的結(jié)構(gòu)。特征尺寸指的是柵極的寬度，目前主流芯片最小為7nm。

對(duì)比下面的顯微圖像，我們也可以判斷出其特征尺寸為下圖紅線所標(biāo)識(shí)。

從上面兩張圖我們可以看出，其實(shí)特征尺寸并非是晶體管里的最小尺寸，F(xiàn)in (鰭) 的寬度至少是小于特征尺寸的，因此特征尺寸為7nm的晶體管中，所需要制造的最小尺寸其實(shí)是小于7nm的。

而到了下一代堆疊納米片的晶體管結(jié)構(gòu)，這種趨勢(shì)則更加明顯，在特征尺寸（柵極寬度）為3nm的晶體管中，其最小需要制造的尺寸（例如納米片的厚度）則要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3納米，甚至要小于1nm。

小于1nm會(huì)遇到什么問(wèn)題呢？我們需要了解一下硅的原子結(jié)構(gòu)。

2）硅原子的物理結(jié)構(gòu)

下面，我們來(lái)了解一下硅原子的物理結(jié)構(gòu)，下圖為硅的晶胞結(jié)構(gòu)：

晶胞是反映晶體對(duì)稱性質(zhì)的最小單元，在由硅原子構(gòu)成的一個(gè)面心立方體（8個(gè)頂點(diǎn) 6個(gè)面各有一個(gè)硅原子）的晶胞內(nèi)，另外還有四個(gè)硅原子，分別位于四個(gè)空間對(duì)角線的 1／4處，平均到每一個(gè)硅晶胞中的原子數(shù)為8 (8*1/8 6*1/2 4=8) 。硅的晶胞邊長(zhǎng)為a（晶格常數(shù)），在300K時(shí)，a=5.4305? （0.543nm），1nm相當(dāng)于不到2a，也就是說(shuō)在1nm的寬度內(nèi)兩個(gè)晶胞都安放不下。硅原子空間利用率：硅原子體積/單位原子在晶胞中占有的體積，硅晶體空間利用率約為34%，即晶胞空間內(nèi)1/3為原子，2/3為空隙，如下圖所示。

也就是說(shuō)，我們看到的硅已經(jīng)不再是平滑連續(xù)的，而是由離散的原子團(tuán)組成的。

此時(shí)，在連續(xù)系統(tǒng)中適用的定律和法則很多都會(huì)失效，晶體管也就不能正常工作了。因此，從微觀角度看，摩爾定律是不可持續(xù)的。

宏 觀 問(wèn) 題??Macro-Problem
摩爾定律，無(wú)論是1965年提出時(shí)的：“半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管數(shù)量將每年增加一倍”，還是1975年修正的：“每18到24個(gè)月增加一倍”，從數(shù)學(xué)意義上來(lái)看，其曲線都是指數(shù)增長(zhǎng)的。假設(shè)某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，芯片上集成的晶體管數(shù)量為X，則18月后為2X，2個(gè)18月后為4X，n個(gè)18月后為2^n*X，那么從現(xiàn)在開(kāi)始，我們就可以估算人類生產(chǎn)的晶體管數(shù)量：Y=X(1 2 4 8... 2^n)，給公式兩邊同時(shí)乘以(2-1)則可得Y=X(2^(n 1)-1)。具體請(qǐng)參看：地球上的硅能生產(chǎn)多少只晶體管？從公式1 2 4 8... 2^n=2^(n 1)-1我們可以看出，無(wú)論以前生產(chǎn)的數(shù)量有多少，到了下一個(gè)周期，一個(gè)周期內(nèi)生產(chǎn)（消耗）數(shù)量將為以前所有周期生產(chǎn)的數(shù)量的總和還要多1。從另外一個(gè)角度，只要晶體管數(shù)量的增長(zhǎng)繼續(xù)遵循指數(shù)曲線，那么，未來(lái)的每一代人回過(guò)頭來(lái)看時(shí)，過(guò)去的時(shí)代都會(huì)是幾乎沒(méi)有進(jìn)步的時(shí)代。這其實(shí)就是一個(gè)悖論。（圖片來(lái)源于“指數(shù)發(fā)展曲線”的真正意義）

宇宙中的原子數(shù)量才有10^80個(gè)，如果晶體管的數(shù)量按照指數(shù)曲線增長(zhǎng)，僅僅需要一個(gè)半世紀(jì)（150多年），宇宙中的原子都要消耗殆盡了，這顯然是不可能的！（需要讀者注意的是，本文在估算的時(shí)候，做了一些前提假設(shè)，實(shí)際的數(shù)值會(huì)和前提條件的變化有關(guān)，但不會(huì)發(fā)生數(shù)量級(jí)上的變化）
寫(xiě)到這里，我們可以得出一個(gè)結(jié)論：從物理學(xué)的意義上來(lái)講，指數(shù)曲線基本上都是不可持續(xù)的。因此，從宏觀角度看，摩爾定律也是不可持續(xù)的。

我又想起了一個(gè)故事："甲問(wèn)乙，你覺(jué)得一張報(bào)紙能對(duì)折40次嗎？乙說(shuō)，我覺(jué)得可以啊，說(shuō)完就找到一張最大的報(bào)紙折疊起來(lái)...... "最后的結(jié)果如何呢？

這實(shí)際是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)，因?yàn)橐粡垐?bào)紙對(duì)折40次的厚度超過(guò)了11萬(wàn)公里，遠(yuǎn)超過(guò)繞地球兩圈半了！

一張報(bào)紙只要對(duì)折27次，其厚度就會(huì)超過(guò)珠穆朗瑪峰的高度，對(duì)折36次，就超越了中國(guó)最北端到最南端的距離，對(duì)折42次，就超過(guò)了地球到月球的距離!

指數(shù)曲線的增長(zhǎng)就是如此可怕，越往后，越可怕！前面所有的增長(zhǎng)相對(duì)于后面的增長(zhǎng)來(lái)說(shuō)幾乎都可以忽略不記！

既然從微觀和宏觀上來(lái)看，摩爾定律都是不可持續(xù)的，那什么定律能夠代替摩爾定律呢？

作者認(rèn)為最有可能的就是：功能密度定律，請(qǐng)參看原創(chuàng)文章：摩爾定律 vs 功能密度定律