孙永杰 •2016-03-25 07:52
摘要： 正是由于英特尔在核心PC芯片、移动芯片（主要是智能手机）和服务器芯片市场遭遇的挑战及这些挑战所导致的摩尔定律经济性难以充分体现及摩尔定律在芯片产业本身经济性面临的挑战的叠加，使得英特尔提前终结摩尔定律显得既有必要，又显得无奈。
近日，全球芯片巨头，摩尔定律的发明、倡导和执行者英特尔在其公司文档中废止了“Tick—Tock”（制成和架构）的芯片发展模式，即从第三代Skylake架构处理器“Kaby Lake”芯片彻底打破了“Tick-Tock”的钟摆节奏，从下一代10纳米制程芯片开始，英特尔会采用“制程（Process）-架构（Architecture）-优化（Optimization）”(简称PAO)的三步走战略。
随着英特尔这一策略的转变，业内认为，被喻为芯片产业创新和发展的摩尔定律正式终结。那么问题来了，英特尔为何要终止摩尔定律？究竟是主动为之还是被动放弃？
众所周知，任何产业的发展都是受技术与商业（例如市场）的推动，摩尔定律或者说以其为标准的芯片产业也不例外。这里我们不妨从芯片产业，结合英特尔本身来分析下摩尔定律为何终结。
摩尔定律在芯片产业遇到了技术与成本经济性的挑战
业内知道，摩尔定律在业内有很多不同版本，大意是每十八个月（有一说法是两年），半导体的功能会翻增两倍，或同一大小芯片能放两倍的运算单元，相同的成本能获得两倍的运算能力。摩尔定律并不是物理定律，只是戈登•摩尔（Gordon Moore）对科技行业的观察，因为科技公司竞争激烈，要在行业中生存，只有不断研究创新，抢先推出比对手更快更好的产品，于是摩尔定律成为自我实现的预言。
从这个定律的内容可以看出，从主观上讲，技术和成本（经济性）是决定摩尔定律能否延续的关键。但就像业内一直争论的是，技术受限于相关半导体材料本身特质等因素（就是业内探讨的物理极限）的影响研发和制造难度会越来越大，除非未来发现更新的可替代传统半导体的材料。
据相关分析，从32nm到16nm设计成本的增加超过了1亿美元。如果假设32nm时一个裸片的成本是10美元，并且假设每个节点传统的成本下降仍将持续，那么需要超过2000万个裸片才能达到收支平衡。如果再考虑到与这种设计相关的风险，那么实际上要求超过1亿个裸片，或至少10亿美元市场，才能证明投资这种器件的合理性。很明显，很少有设计可以达到1亿片或10亿美元的市场规模。
而SEMI世界代工预测报告显示：在32nm节点以下，每个晶圆的成本变得越来越重要。期望的在更小节点生产成本下降的经济性在减少，并且在许多情况下跟不上制程缩小好处的步伐。这对长期遵循摩尔定律节奏发展的行业产生了具有广泛而深远的影响。
实际上，经济性下降趋势早在28nm到22nm节点时就已经出现，即22nm的成本与28nm大抵相同，而14nm的成本则不跌反升。如此一来，相关企业因成本考虑，选择停留在28nm或22nm技术，少了分摊14nm的开发成本，间接让14nm芯片的造价更加昂贵，而这个问题在10nm将更加严重。
之前的IBM便是因为成本问题，把芯片工厂卖掉，退出了半导体制造行业，10年前，拥有尖端芯片生产能力的企业有18家，今天仅剩英特尔、三星、GlobalFoundries和台积电4家。
英特尔为什么要提前结束“摩尔定律”
如果说上述是摩尔定律在芯片产业遭遇到的技术与成本经济性的挑战和瓶颈，具体到英特尔，早在2011年其就预计未来10年将在制造，以及技术和产品开发与芯片相关方面投资1040亿美元，2015年这一数字上调至2700亿美元。由于与工具、晶圆和人力资源相关的费用的增长，开发成本已经上涨。
例如仅在去年，英特尔用于芯片研发的头投入就达到121亿美元位列芯片行业研发投入在第一位，占了公司年营收的24%。而排在第二位的高通，尽管研发投入占其营收的比例为23.1%，与英特尔几乎相当，但从投入的绝对值看，仅为37亿美元，只是英特尔的1/3左右。
不幸的是，尽管英特尔投入巨大，但随着市场和用户转向智能手机等移动产品，英特尔最近几年一直遭受冲击，例如去年第四季度，其PC芯片发货量较上年同期下跌16%。而从2015财年整体的情况来看，英特尔的营收和净利均处于下滑态势。其营收达到554亿美元，较上年的559亿美元下滑1%。净利润为114亿美元，较上年同期的117亿美元下滑2%。而毛利率为62.6%，较上年同期的63.7%下滑1.1个百分点。
除了核心PC芯片遭受冲击外，英特尔的巨大投入在移动市场并未获得回报，甚至不得不靠额外的补贴勉强在移动市场（例如平板电脑）获得并不具备商业价值的市场份额，直到今天，英特尔在智能手机市场的份额已然处在可以忽略不计的尴尬中，但英特尔这几年却为此付出数百亿美元的代价。
由此可见，除了芯片产业本身外，英特尔在具体的市场表现中也未充分体现出遵循摩尔定律的经济性优势，即核心的PC芯片销量和利润率不断下滑，而在体现出摩尔定律经济性的移动市场却毫无建树。
在此，也许有人（包括英特尔）会称，英特尔在数据中心（主要是服务器）芯片市场表现强劲，且完全可以弥补因PC芯片下滑带来的损失。事实的确如此，但从未来看，随着以高通为首的ARM阵营向该芯片市场的渗透，英特尔在此领域的优势地位有可能遭遇挑战。例如今年年初，谷歌就声称正在考虑在其未来的数据中心的服务器采购中选择高通的芯片。
要知道，谷歌每个季度为其服务器采购的处理器数量高达30万颗，购买力超过多数厂商。而据市场研究公司IDC的数据显示，在服务器芯片市场，谷歌采购的芯片数量占据了服务器芯片总出货量的5%以上，鉴于谷歌还自主开发服务器相应的软件，这就意味着谷歌在其服务器系统的可选择性上要远高于其他公司，即从英特尔的x86架构切换到ARM架构的难度要小于其他厂商。
需要说明的是，尽管英特尔服务器芯片业务销售额不到英特尔总销售额的1/3，但营业利润占到英特尔总利润一半以上，但也正是由于利润丰厚，数据中心相关厂商已经把英特尔服务器芯片作为削减成本的目标，实际上去年第四季度，英特尔数据中心业务营收仅增长5%，远远低于此前两位数的增长，这意味着即便是英特尔看好和占优的数据中心芯片市场在未来也会面临营收和利润增长的挑战。
正是由于英特尔在核心PC芯片、移动芯片（主要是智能手机）和服务器芯片市场遭遇的挑战及这些挑战所导致的摩尔定律经济性难以充分体现及摩尔定律在芯片产业本身经济性面临的挑战的叠加，使得英特尔提前终结摩尔定律显得既有必要，又显得无奈。因为对手似乎正在利用这种无奈赶超英特尔。
对手正在赶超
据称IBM正在开发一种非常非常小的晶体管，相比其他工厂明显更先进，也是目前首个打破10nm 工艺限制的企业，采用7nm锗片替代硅，与此同时，IBM认为用碳纳米管（carbon nanotubes）可以向1.8nm节点进发；台积电去年年底透露，其将于2017年第2季度向市场推出7nm工艺的芯片，而且5nm也在研发当中。
再加上此前台积电已经明确表示10nm工艺会在今年年下半年完成量产，这家台湾晶圆厂的工艺似乎已经完全超越了英特尔；高统则声称将利用英特尔针对摩尔定律经济性考量而创新放缓的机会在未来赶超英特尔。由此看来，英特尔终结摩尔定律极有可能丧失在芯片产业的主导地位。
不知是巧合，还是其他原因，在英特尔终结摩尔定律之时，英特尔公司前首席执行官安德鲁·格罗夫（又名安迪·格罗夫）辞世，为此业内对其为英特尔的贡献予以了高度评价。
美国斯坦福大学教授罗伯特·伯格尔曼认为，如果不是格罗夫掌舵，英特尔公司无法在上世纪80年代成功转型，后来经受住来自亚洲IT企业的挑战和冲击。而给我们印象最为深刻的是其1996年出版的《只有偏执狂才能生存》，这本书是在总额5亿美元的有缺陷的英特尔奔腾芯片必须被召回并更换的灾难性事件后写的，这本书彰显了格罗夫对于芯片产业的洞察力和创见，尤其是书名“只有偏执狂才能生存”成为英特尔之后一直尊奉的企业理念，而英特尔能有今天在芯片产业的地位此理念的饯行至关重要。
令我们遗憾的是，今天的英特尔在面对压力之时，显然已经失去了格罗夫时代其该具备的那种身处逆境但依然对于创新的偏执。当然我们很是理解目前英特尔的处境，但我们更希望英特尔能够延续其偏执狂的本性，毕竟惟有偏执狂才能生存。
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摩尔定律还能存活多久？计算机芯片已达物理极限
2015-09-29 作者：用户上传
据《纽约时报》网络版报道，1960年，在宾夕法尼亚大学举办的国际固态电路会议上，名为道格拉斯·恩格尔巴特(DouglasEngelbart)的年青计算机工程师介绍了简单但具有开创性意义的概念：缩小(scaling)。
恩格尔巴特从理论上阐明，随着电路尺寸越来越小，元器件速度将越来越快，能耗、制造成本会越来越低，这一切都呈加速发展态势。恩格尔巴特后来发明了计算机鼠标和其他个人计算技术。
当天坐在台下听恩格尔巴特演讲的听众中就有后来与其他人联合创建了英特尔的戈登·摩尔(GordonMoore)。1965年，摩尔量化了缩小原理，提出对计算机时代产生了深远影响的摩尔定律。他预测，在至少10年内，芯片集成的晶体管数量将每年翻一番，从而导致计算机处理能力大幅度提高。
他的预测发表在1965年4月份的《电子学》杂志上，后来被称作摩尔定律。这不是一条物理学定律，而是对一个新兴产业的观察结果，在此后的半个世纪中，摩尔定律被证明是有效的。
在1960年代早期，宽度约与棉纤维相当的一个晶体管，按现在的美元计算价格约为8美元(约合人民币51元)。目前，指甲盖大小的芯片可以集成数十亿个晶体管，晶体管的价格已经下降到1美分(约合人民币6分钱)能买好多的水平。
计算机芯片的发展帮助硅谷给世界带来了令人吃惊的进步，其中包括PC、智能手机和互联网。但是，最近数年，根据摩尔定律预测的芯片发展速度放慢了。约10年前，芯片速度停止进一步提高，新一代芯片问世的时间延长，单个晶体管的成本不再下跌。
《纽约时报》表示，技术专家现在认为，新一代芯片的问世会更慢，两代芯片之间的间隔将延长至2.5-3年。他们担心，到2020年代中期，届时仅由数个分子构成的晶体管将无法可靠地工作。除非有新的技术突破问世，摩尔定律时代将告终结。
博通首席技术官亨利·萨缪里(HenrySamueli)在谈到摩尔定律时说，“它头发已经花白，已经年老了。摩尔定律尚未死亡，但即将退休。”
1995年，摩尔将晶体管数量翻番的时间修改为2年。他认为摩尔定律能在如此长时间内有效是了不起的，最近在纪念摩尔定律问世50周年的一次会议上表示，“最初时考虑它的有效时间是10年，我认为这已经够长了。”
但一个问题是，一旦不断提高的速度、不断降低的能耗需求和更低的价格这一组合无法持续下去，会出现什么情况?
英特尔前电子工程师罗伯特·科威尔(RobertP.Colwell)说，出现这种情况的影响远不仅仅局限于计算机产业。科威尔在英特尔曾负责领导奔腾芯片的设计。
科威尔说，“以汽车产业为例。过去30年推动汽车产业创新的是摩尔定律。”汽车产业在引擎控制器、防抱死刹车、导航、娱乐和安全系统方面的大多数创新都来自价格越来越低的半导体。
硅谷却没有这种担忧。过去30多年来，计算产业一直声称计算速度会更快，容量会更高，价格会更低。这被描述为互联网时代，甚至是奇点(即计算机的处理能力将超过人的智能)。
物理极限
芯片是由金属连线和基于半导体材料的晶体管组成的。最先进晶体管和连线的宽度小于光的波长，最先进电子开关的尺寸小于生物病毒。
芯片采用光刻工艺制造。自1950年代末被发明以来，光刻工艺一直在不断发展。目前，芯片光刻工艺已经发展到使用紫外激光。
由于元器件和连线的尺寸已经缩小到只有几个分子大小，工程师在芯片设计中采用了计算机模拟技术。设计自动化软件厂商MentorGraphics首席执行官瓦尔登·莱因(WaldenC.Rhines)表示，“这是在戏耍物理学。”
如果由恩格尔伯特首先描述的这种“缩小”不能持续下去，大型芯片厂商该如何应对呢?《纽约时报》称，其一，它们可以转向软件或新的芯片设计，从相同数量的晶体管中“榨取”更高的计算能力。
另外，芯片产业还寄希望于新材料。专用芯片厂商EfficientPowerConversionCorporation首席执行官、物理学家亚力克斯·里道(AlexLidow)说，其他材料可能取代硅，被用来生产更小的晶体管、新型存储设备、光通讯设备。
还有许多全新技术，例如量子计算——如果实用化，将大大提高计算速度;自旋电子学——能使未来的计算技术进入原子量级器件时代。
最近，业界对一种被称作极紫外线光刻的技术非常乐观。如果获得成功，它将使芯片厂商采用更先进的工艺生产芯片，同时简化芯片生产过程。但这一技术尚未在商业生产中得到验证。
今年早些时候，荷兰光刻机厂商ASML表示，已经获得美国一家客户的巨额极紫外线光刻机订单，大多数业内人士都认为这家客户是英特尔，这意味着英特尔在制造工艺方面将比其他芯片厂商领先一步。
不同于三星、台积电等主要竞争对手的是，英特尔高管坚信公司在可预见的将来能继续降低芯片制造成本，他们不认可晶体管价格已经趋于稳定的观点。
尽管如此，英特尔也不能完全“藐视”物理学。英特尔7月份表示，它将把采用10纳米工艺技术的时间推迟到2017年。这打破了英特尔一年换用新生产工艺、下一年采用新芯片架构的新产品发布周期。
英特尔首席执行官科再奇(BrianKrzanich)在一次分析师电话会议上说，“最近的两次技术转换已经表明，我们采用新工艺的周期接近2年半而非2年。”
不再有顺风车
《纽约时报》指出，对这些问题的乐观看法是，芯片开发的放缓将导致更激烈的竞争和更多创造性。许多半导体厂商都不像四大芯片制造商GlobalFoundries、英特尔、三星和台积电那样有先进的制造工厂。
哈佛商学院教授大卫·约菲(DavidB.Yoffie)说，芯片制造工艺发展放缓可能使得稍微落后一些的厂商能在不要求最先进性能的市场上竞争。
即使不断缩小的晶体管尺寸不会使芯片更快、更廉价，也会降低芯片能耗。将于2010年代末问世的超低能耗计算机芯片在有些情况下甚至不要求使用电池供电，而能够利用太阳能、振动、无线电波甚至汗液供电。
这些芯片会催生什么样的产品?没有人知道。但产品设计人员将被迫以不同方式思考他们开发的产品，而不能坐等处理能力更强大的芯片。借助摩尔定律，计算机尺寸越来越小，但在设计方面并没有什么突破。苹果前高管托尼·法德尔(TonyFadell)表示，“过去，设计师很懒散。”
物理学家卡佛·米德(CarverMead)说，“过去我们基本上是在搭顺风车，这真的很蠢，但很有效。”
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半导体工艺的极限是1纳米吗？
电子计算机的极限源自多个层面，包括但不限于光刻反应速率，刻线宽深比，光刻稳定性，EoT（等效氧化物曾厚度）极限，基底隧穿以及栅极减薄隧穿， 还有由此一系列问题所带来的下游效应和……不计其数的问题，这里涉及太多物理学（同时包括宏观物理学和量子物理学）、物理化学、材料学以及反应工程学方面 的知识，说多了全是泪，所以我们不再继续深入讨论，而是根据综合信息直接给出目前所能够规划到的半导体工艺极限——1nm。
在线宽低于1nm时，目前及可见未来的技术均无法突破可制造性问题以及物理表达形式层面的极限，芯片可以被制造出来，但它的运行状态以及良率完全无法得 到有意义的保证，因为这一尺度的量子效应会更明显的反映出观察者的存在和干扰，我们甚至没法知道一颗挂掉的芯片究竟是哪里坏了又为什么坏了，无论收集问题 还是解决问题都无从谈起。1nm工艺就是当前半导体工艺的光锥和视界，现在没有人知道1nm之后的半导体工业会发生什么，所以1nm就是当前技术环境下 PC以及电子计算机的“命运”，无论CPU、显卡、内存还是硬盘都无法回避。
匿名用户
neyo zheng、李翰卿、赵俊明 等人赞同
我现在已经不玩半导体了啊...
只好凭着记忆来写咯。
大多数时候看到的极限是5nm-7nm这个范围。从数量级来看，1-10nm也算对。
人类已经可以在实验室早出5nm的node。但是，这是个体力活和运气活。一个PhD花大量时间才能做出1个。但是做出的100个里至少有90个都是坏的。
简单来说，达到7nm理论极限的时候，技术也完全达到极限了。 实验样品的质量充满了随机性。
尽管目前前景很不明朗，现在还是有大批科学家在钻研这个课题。
如果我们对单原子内部的性质了解的更清楚，我们也可以用一个单原子放在gap中做电子器件。
这种单原子器件的尺寸是0.1nm.
糟糕的是，尽管理论上来讲我们可以用量子力学算出任意一种单原子的电子云分布，计算出所有理化性质，但是实际上，可以用来做器件的原子都太复杂了，我们解不了那个薛定谔方程。
所以大家更倾向于用blockade等等量子效应来描述单原子的导电特性。
这些工作还在进行中。理论上的，我们至少还可以达到用单原子电子器件的尺度0.1nm，我们在实验室里偶尔能制备出这种单原子器件，但是温度得在零下100多度，而且失败率太高。
至于能不能用原子内部的原子核作为电子器件就要看未来我们能否得到可靠理论描述原子核的导电性质了。
所以说，现在的技术极限差不多是5nm的两级，但是用新的理论上达到0.5nm尺寸也完全可能。
未来还会不会有更好的理论可以搞定亚原子级别的电子器件我们并不知道。
编辑于 2014-12-01
知乎用户，电子黑魔法和程序设计奇技淫巧研究
太小了量子效应的作用会很显著 换句话说就是会有shot noise 什么意思? 就是你的门电路一共才用了一两个电子表示逻辑 结果量子力学保证你经常差一个电子（shot noise） 你的逻辑就不可能对
发布于 2015-02-16
Akkstiv，物理学小逃兵
neyo zheng、五弟儿、刘改之 等人赞同
从专业角度回答你，目前intel，ibm，tsmc和imec等主流厂家在攻关7nm，再往下基本在vlsi时间表上都到边缘了。
再往下沟道尺寸和eot都没法减了，要考虑高迁移率材料，锗，三五族，石墨烯，硫化钼。。。不知道下一代是啥，可以说各有缺陷。都不是完美的，对比于硅和二氧化硅的完美结合，这些高迁移率半导体和绝缘体之间的体系远远没有科学的美观。包括一些单原子层沟道器件，都有这样那样的缺陷。
我个人觉得，对电磁相互作用的应用，人类已经到头了，如果不对强相互作用有突破，半导体就基本这样了，再快4倍，over
发布于 2015-02-03
知乎用户
不管是10nm，5nm，1nm都没有质的区别。
经典的工艺的极限也就在这个尺度，纠结具体是多少完全没有意义。当线宽大概在 1nm 量级的时候，电子无法用经典图像描述。
发布于 2014-12-01
知乎用户，Physical Design, Design Automation, AS…
这个要看极限的定义是什么了，随着工艺水平尺寸逐渐变小，良品率能不能hold住是主要问题，性能再好，功耗再低，产能不足，或者说根本不能生产也没什么作用。现在TSMC的16nm ff 已经遇到了良品率问题跳票，我想10nm以下做核心（nand flash一般会做到比较小）设计生产难度是很大的，这么来说，个人认为5nm以下只能停留在实验室里了。
编辑于 2015-02-04
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