芯片晶体管数量提升1亿倍，摩尔定律还会消亡吗？

近期，英特尔（Intel）宣布其研究人员预见到一种通过改进封装和厚度仅为3个原子的材料层使芯片密度提高 10 倍的方法。

据悉，在2022年IEEE国际电子器件会议（IEDM）上，英特尔发布9篇研究论文，公布多项技术突破，强调公司追求新的2D晶体管材料和3D封装解决方案的计划。

三个方面的技术突破

在会议上，英特尔公布了多项研究突破，包含3D封装技术的进步、超越RibbonFET的二维晶体管缩放的新材料、能效和内存为高性能计算提供了新的可能性。这些成果将推动其在未来十年内继续贯彻摩尔定律并且在封装上实现万亿级晶体管。

1、下一代3D封装准单芯片

基于混合键合（hybrid bonding），将集成密度和性能再提升10倍。

同时，间距缩小到3微米，使得多芯片互连密度和带宽媲美如今的单芯片SoC。

2、超薄2D材料在单芯片内集成更多晶体管

使用厚度仅仅3个原子的2D通道材料，英特尔展示了GAA堆栈纳米片，在双栅极结构上，在室温环境、低漏电率下，达成了非常理想的晶体管开关速度。

研究人员表示这是堆叠GAA晶体管和超越硅的基本限制所需的两个关键突破，其还揭示了对二维材料的电接触拓扑结构的首次综合分析，这可以进一步为高性能和可扩展的晶体管通道铺平道路。

3、高性能计算能效、内存新突破

英特尔研发了可垂直堆叠在晶体管之上的全新内存，并首次展示了全新的堆叠铁电电容，性能媲美传统铁电沟道电容，可用于在逻辑芯片上打造FeRAM。

英特尔正在打造300毫米直径的硅上氮化镓晶圆，比标准的氮化镓提升20倍。

英特尔在超高能效方面也取得了新的突破，尤其是晶体管在断电后也能保存数据，三道障碍已经突破两道，很快就能达成在室温下可靠运行。

持续推进摩尔定律

英特尔创始人之一戈登·摩尔曾说过，集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每经过18个月就会增加一倍。而该预测被称为摩尔定律。

在十几年间，芯片制造商缩小了芯片的尺寸，微型芯片中的电子行进距离更短，而芯片变得更快、更高效。更短的距离意味着芯片使用的材料更少，从而使其更便宜。

在20世纪后半叶，作为当时芯片行业领军者的英特尔，把摩尔定律视为自己的使命，不断地在制造领域加大投入，推动晶体管数量的增长。

1971年，英特尔公司推出了世界上第一款微处理器4004，这是第一个可用于微型计算机的四位微处理器，它包含2300个晶体管；1974年，英特尔公司又推出第二代微处理器8080，其含有29000个晶体管。随着技术的不断发展，1993年英特尔奔腾处理器问世，其已经含有3百万个晶体管；2002年英特尔奔腾4处理器推出，晶体管达到5500万个。

截止到2010年，英特尔PC处理器中的晶体管数量每年以大约40％的速度增长。在随后的几年中，这一比例下降到一半。该公司服务器MPU的晶体管数量增加在2000年代中期至后期暂停，但随后又开始以每年约25％的速度增长。

现在到了2022年，苹果的M1 Ultra芯片做到了1140亿晶体管，是52年前的1亿倍。

1965年，芯片上晶体管数量不足100个，如今，最先进的芯片晶体管密度已经达到了接近3亿个／每平方毫米，将近60年的时间，一颗芯片上的晶体管数量增长了170亿倍，密度增长了3000万倍。

不过1140亿晶体管的芯片也不会是终点，英特尔研究人员在公开分享中表示，只有当创新停止时，摩尔定律才会失效，而英特尔在制程工艺、封装和架构方面的创新将永不止步。

预计到2030年，英特尔将在单个设备中提供约1万亿个晶体管。

摩尔定律是否会消亡？

随着工艺与集成度的不断提升，晶体管尺寸渐近物理极限，继续依赖缩小工艺制程获取性能和经济效益提升已困难重重，“摩尔定律”也受到质疑。对于“摩尔定律是否已死”，英伟达和AMD的两位领导者各执一词。

英伟达CEO黄仁勋多次表示「摩尔定律已死」。笔者了解到，9月21日，英伟达发布的40系显卡后，他回应外界道，以类似成本实现两倍业绩预期对于该行业来说“已成为过去”，并认为蛮力加晶体管的方法和摩尔定律的进步基本上已经走到了尽头。

不过，在近日的 Wells Fargo TMT 会议上，AMD 首席技术官 Mark Papermaster 则否认了「摩尔定律已死」的说法，他认为摩尔定律仍还在轨道上，并未死亡，未来6－8年内仍会有效；不过之后的芯片技术会越来越复杂，这也意味着成本会越来越高，特别是先进制程。

Papermaster还指出，正是看到了这点，AMD在几年前便转向小芯片堆叠技术发展；且如果小芯片堆叠技术是克服不断上涨的硅生产价格的其中一个关键方式，那么将CPU、GPU与专用加速器结合在一起显得更加重要，得以实现更大的创新。

AMD似乎正在推动规避所谓的摩尔定律的＂死亡＂，而NVIDIA似乎已经决定完全接受＂摩尔定律已死＂的理念。虽然AMD和NVIDIA的各执一词，但从他们都共同表达出来对成本的担忧。

小结

之前看到有网友调侃，说“相信摩尔定律已死的人每两年翻一倍”。从目前的半导体行业发展看来，摩尔定律仍然有效，但随着芯片制造成本的增加，未来的芯片售价不会再跟随摩尔定律而下降。

不管如何，在摩尔定律放缓的今天，人们已经开始寻求新的技术创新，未来半导体行业可能会迎来一场新的发展，量子、光电、新的化合物等等新材料可能会彻底颠覆硅统治下的半导体行业。到了那个时候，摩尔定律可能才能算真正的“死亡”。