電路設計 - 摩爾定律的未來發展

20世紀50年代，飛兆電晶體（Fairchild Semiconductor）和英特爾（Intel）的聯合創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）發表了一篇論文，指出在未來十年，每個集成電路的組件數量將每年翻一番。 1975年，他回顧了自己的預測，並表示現在組件的數量每兩年翻一番。 這就是著名的摩爾定律。

幾十年來，摩爾定律被證明是正確的。 此外，摩爾定律一直指導著晶片的製造和設計。 英特爾和AMD的研究人員總是根據摩爾定律設定目標。 隨著摩爾定律推動晶片設計的快速發展，電腦變得越來越小。 摩爾定律不僅僅是一種預測，它已經成為製造商的目標和標準。 以下是摩爾定律的一些例子：

1971年，第一批電晶體工藝之一是10微米（或比一米小100000倍）。 到2001年，它達到了130納米，比1971年小了近80倍。

截至2017年，電晶體工藝為10納米。 與人的頭髮相比，它的直徑為100微米，比今天的電晶體大近10000倍。

摩爾定律危機

隨著大規模電路的發展，電晶體越來越小，集成電路的數量按幾何順序新增，但其製造過程變得越來越困難。 克服這些科技和科技障礙不僅需要大量的時間和研究，還需要大量的資本和投資。 囙此，摩爾定律的時間也逐漸變慢，甚至可能不會很快建立起來，摩爾定律的危機爆發了（當然，如果沒有大的變化，這是不可避免的）。

英特爾用了大約兩年半的時間，從2012年的22nm工藝發展到2014年的14nm工藝。 此後，10nm的研究和開發出現了問題，並被多次延后。 2019年之前可能無法使用。 然而，好消息是AMD 7Nm顯卡和CPU將於2019年上市（請參閱最近的文章“AMD未來產品展望…”）。 因為摩爾定律不是真正的定律，而是一種預測或推測。 儘管晶片製造商一直致力於實現和維持他們的目標，但這已經變得越來越困難。

2015年引用摩爾自己的話：“我認為摩爾定律將在未來十年左右消亡”。

量子隧穿

隨著電子元件越來越小（納米級），量子特性和效應逐漸顯現。 隨著我們繼續减小電晶體的尺寸，PN結耗盡層的尺寸也在减小。 耗盡層對於防止電子流動非常重要。 研究人員計算出，由於電子在耗盡區的隧穿效應，小於5nm的電晶體將無法封锁電子流。 由於隧穿，電子將無法感知耗盡區並直接“穿過”。 如果你不能封锁電子的流動，電晶體就會失效。

此外，我們現在正在慢慢接近原子本身的大小。 理論上，我們無法製造出比原子更小的電晶體。 矽原子的直徑約為1納米，我們電晶體的柵極尺寸約為該尺寸的10倍。 即使不考慮量子效應？？， 我們也將達到電晶體的物理極限，不能再小了。

電流和加熱效應

除了量子隧穿和物理限制外，還有兩個非常嚴格的工藝問題，即小尺寸電晶體的熱效應。 隨著電晶體變得更小，電晶體往往變得更“洩漏”，即使在關閉狀態下也是如此。 也不可避免地讓一些電流通過。 這稱為洩漏電流。 如果我們將洩漏電流設定為100毫安培，如果CPU有1億個電晶體，洩漏電流將為10A。 這將在幾分鐘內耗盡手機電池。 較高的柵極電壓可以减少洩漏流量，但這將導致更多的熱效應。 即使不考慮它，每個時鐘計算本身也會消耗大量熱量。 製造商必須使用這些内容，並使其恰到好處，以防止這些影響。 隨著過程變得越來越小，過程變得越來越困難。

高洩漏電流也會導致暗矽和暗記憶體的問題。 儘管我們的晶片中可能有許多電晶體，但大多數電晶體必須保持關閉狀態，以防止晶片過熱和熔化。 所有這些關態電晶體佔用了大量空間，可以用來放置其他元件。 這就引出了一個問題：我們真的需要變得更小，還是要改進現有的晶片設計？

未來展望

5nm設計

考慮到所有這些因素，英特爾高管和《國際半導體技術路線圖》表明，5納米可能是可以達到的極限尺寸。 預計5納米將於2021首次亮相。 那之後我們還能期待什麼呢？

Dennard標度Dennard標度被認為是摩爾定律的姐妹方法。 它是由RobertDennard在1974年開發的，並指出隨著電晶體變小，其功率密度將降低。 這意味著，隨著電晶體變小，操作它們所需的電壓和電流也將减少。 這條定律允許製造商减少電晶體的尺寸，並在每次反覆運算中通過一個大的跳躍來提高時鐘速度。 然而，在2007年左右，dennard的規模縮小了。 這是因為在較小的尺寸下，洩漏電流會導致電晶體發熱並產生進一步的損耗。

我們可能已經注意到，儘管電晶體變小了，但由於dennard縮放崩潰，CPU計算速度在過去十年中沒有新增。 高時鐘頻率下的高損耗也是智能手機晶片使用較低時鐘速度（通常為1.5 GHz）的原因。

庫姆定律

通過改進當前的晶片實現和更好的指令筦道，我們可以提高晶片的效能。 囙此，斯坦福大學教授喬納森·庫米提出了庫米定律：每焦耳能量的計算次數將每1.5年翻一番。 這種情況預計將持續到2048年，届時蘭道爾原理和簡單熱力學定律將封锁進一步的改進。 現時，Landauer界限的電腦效率約為0.00001%。

多核體系結構

傳統程式設計語言（如Java、C++和python）只能在單個設備上運行。 但隨著設備變得更小、更便宜，我們可以在許多晶片上同時或並行運行相同的程式，以進一步提高效能。 在這方面，golang和node等語言將發揮更重要的作用。

新材料研究

世界各地的研究人員正在尋找新的、更具創新性的方法來製造更小更快的電晶體。 已經證明，氮化鎵和石墨烯等資料在更快的開關頻率下具有更小的損耗。

量子計算

現時，可能的解決方案是開發量子電腦。 像d-wave和rigetti computing這樣的公司正在這一領域廣泛開展工作。 更重要的是，量子比特定律的擴展尚未開始。 繞過dennard擴展的方法是在單個晶片中放入更多內核以提高效能。 現時，量子計算已顯示出巨大的前景。 它的優點是可以有多個狀態（不同於其他電腦0和1）。 現時，一些實驗量子計算已經取得了很好的效果，如基於量子科技的實數亂數算灋已經成功。