芯片制程的物理和工程极限究竟在哪里？1nm是摩尔定律的尽头？

5月20日，高通讨巧地在这一天举办了520 骁龙之夜，希望通过新作骁龙8+在发热方面的改善，挽回大众的爱。同为4nm制程芯片，骁龙8+和骁龙8最大的不同在于代工厂的不同：一改三星低良品率的「霉头」，骁龙8+的代工选用了口碑更佳的台积电。

不过，520前后脚，留给媒体报道的芯片大事件不只是高通的新品发布，还有FUTURE SUMMITS 2022大会。这个大会不仅英特尔、ASML等公司的CEO作主题演讲，而且全球各大研究机构还会发布一些他们的最新报告。今年的大会上，世界上最先进的半导体研究公司IMEC（比利时微电子中心），在峰会上展示了最新的芯片制程路线图。

从路线图来看，要达到1nm制程，还得6年，而到了2036年，芯片制程可能会突破到0.2nm。

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0.2nm看似遥不可及，但实际上目前1.4nm已经在筹划。近日，据Business Korea报道，台积电打算在6月份将其N3制程节点的团队做重新分配，以组建1.4nm级制造工艺的研发队伍。未见2、3nm，1.4nm已闻其声。如果考虑到芯片绵长的研发周期，这在情理之中。但是，在晶体管的制造工艺上，光刻加工的线条不可能无休止地缩小。

这一切总要有个头吧！芯片制程的物理和工程极限究竟在哪里？

1nm是摩尔定律的尽头？

在我们目前的认知中，芯片制程代表着芯片的性能和功耗。而厂商也往往以先进制程作为关键宣传点。一直以来，芯片的迭代进化被一个叫「摩尔定律」的预言控制着。它的提出者是英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔。早在1965年，摩尔就预言：单位平方英寸上晶体管的数目每隔18～24个月就将翻一番。

后来人们发现无论是芯片的演化速度还是计算机的进步迭代，都和摩尔这个预言惊人地一致。比如我们今天说的芯片制程的演化，从微米、亚微米、深亚微米，到193nm、157nm、90nm，再到最近几年的12nm、7nm、4nm，都在按照摩尔57年前说的这段预言演进。

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可以说，摩尔定律为芯片产业的发展指明了道路和奋斗目标。不过，摩尔定律一路走过来并不是没有受到挑战。

如今，随着5G、AI等技术的发展，我们迎来了一个数据洪流时代。但是摩尔定律本质上来说，是依据冯·诺依曼架构提出的，而该架构对于海量数据，尤其是不规则的海量数据处理，存在着先天短板。

因而，从这个方面来看，无论是摩尔定律，还是以x86为基础的冯·诺依曼架构，都会随着人类社会的发展以及数据量的不断攀升，最终失效。

实际上，早在2015年时，摩尔就预言，摩尔定律将在十年内走到尽头。也就是说，再过3年，摩尔定律即将失效。如果2025年之前确实如此，那真是「摩尔正确预言了摩尔预言的失败」。

实际上，目前业界对于摩尔定律的极限和摩尔本人的看法一致：2024年摩尔定律将走到尽头。

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造成摩尔定律失效的三大原因

就拿芯片产业来说，如今的芯片制程工艺已经到了4nm，但是大部分从业人员认为，摩尔定律到了5nm的制程工艺时，已经在逐渐失效。为什么敢于如此断言？有如下原因：

一、芯片制程越先进，发热量越大

第一，随着在同样面积的晶圆中集成的晶体管数量越来越多，产生的热量也会越来越大。

要理解这个问题，我们先来简单说一下芯片的构造。提到芯片，我们往往会提到IC，这个IC其实翻译过来就是集成电路的意思，半导体集成电路，就是指的芯片。而我们说的高通骁龙8等芯片，其实就是指的是芯片中的SoC芯片。学术一点说，是一种把电路小型化，并制造在一块半导体晶圆上的一种具有特殊功能的微型电路。

芯片的制造过程简约来说有三个步骤，分别是设计、制作和封装，设计和制作的难度最大，无论是苹果还是华为的芯片，都是自己设计，然后交由台积电进行代工制作，而三星是目前全球唯一一家可以既自己设计芯片，也有工厂可以自己生产的厂商。

衡量芯片生产的核心指标有两个：一是硅晶圆尺寸，二是晶圆的工艺节点，即制程。硅晶圆尺寸是越大越好，而晶圆的工艺节点却相反，则越小越好。由于篇幅有限，我们这里主要来说说芯片的工艺制程。

所谓制程，指的是硅晶圆上所能蚀刻的最小尺寸，也叫栅长。越先进的工艺，制程就越小，一块硅晶圆所能生产的晶体管就越多，处理器的功能就越强，运算效率也越高。

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如果大家回顾一下电子产业的发展，就会发现有一个奇怪的现象：电子设备越来越小、性能却越来越好。这背后最主要的功臣之一，就是芯片制程的进步。

不过，这背后也是有代价的。当芯片制程工艺越来越小时，里面电子的运算速度就会越来越快，芯片发热就会越严重。而发热不但对芯片的性能影响很大，还会缩短芯片的寿命。这种现象早在20世纪初，在芯片制程工艺突破90nm制程时，传统的芯片发热方案就已经不管用了。

但是，摩尔定律不能停啊。于是，芯片厂商重新对芯片内部的电路重新调整：既然大家伙聚在一起容易「闹事」（发热），那索性就把你们隔开。于是，从2004年开始，就有了所谓的四核、八核等多核处理器，比如说将原来一个4000兆赫的内核，分成四个1000兆赫的内核。

二、量子隧穿效应

即便在俄罗斯，也不能无线套娃啊。这就涉及到了第二个原因：量子隧穿效应。

通过前面的叙述，我们都知道了芯片上有无数个晶体管。作为芯片的核心，无论是基于摩尔定律下的内卷要求，还是电子设备小型化的需要，晶体管都需要越做越小。因为只有这样，一块芯片上能够容纳的晶体管才能随之增加，性能也才能同比提高。但是这也是有极限的，这个极限就是1nm。

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当芯片制程达到1nm时，就会产生一种叫做量子隧穿的效应（业界俗称「漏电」）。这就是摩尔定律失效的第二个原因。为了理解这个效应，你可以把芯片想象成水库。在传统力学层面，只要水坝比水平面高，水就不会流出去。但是，当一块晶圆上所承载的晶体管达到一个临界值（也就是1nm制程）时，就会进入量子状态，水库的水就会沸腾起来，这时候就会有部分浪花溅出。具体到芯片上来，就是电子从一个晶体管跑向另一个晶体管而不受控制，就会让晶体管完全失效。

实际上，在芯片制程进入7nm时，这种电子击穿效应就越来越明显了，表现在如今的手机上就是，发热问题越来越严重，各大手机厂商都在将「散热」作为一大卖点。

三、终端设备对于低能耗的要求越来越高

对于如今的智能手机来说，在蓝牙、WiFi连接、GPS、感知触摸、指纹识别等后台功能越来越多时；2K 高清屏、120Hz 刷新屏等高能耗的配置，在内卷的趋势下成为手机的标配时；在因为疫情让人们对手机的依赖加重造成用机时间大幅增加等情况下，「续航尿崩」成为一个急需解决的问题。

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此外，相比于20世纪80年代的台式电脑和笔记本电脑来说，使用芯片的差别仅仅在于内核数量的差别而已，对于能耗的要求并不高。而如今，无论是笔记本电脑，还是智能手机，都在向轻薄便携方向发展，加上可穿戴设备的流行，使得如今芯片在高性能之外，最大的要求就是低能耗。

这就是摩尔定律遇到的第三个挑战，终端设备对于芯片能耗的要求越来越高，但是由于量子隧穿效应的存在，芯片制程越先进，发热就越不受控制。

那么，这样看来，问题无解了？

也不是。

未来芯片的发展

所谓「制造材料者制造技术」，回顾整个芯片的发展历程，其实也是芯片制造材料逐渐优化迭代的过程。

从第一代半导体材料的以硅和锗为主，到锗被硅全面取代，再到以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料大量出现，实际上，不仅可以让沙子变芯片，也可以有其他材料可以取代。而一旦制造材料重新更换，制约芯片的发展壁垒，也会消失不见。

2021年5月，台大、台积电和麻省理工共同发布研究成果，首度提出利用半金属Bi作为二维材料的接触电极。它不仅能够大幅降低电阻和提高电流，还能够有效减少量子隧穿效应的影响。

而像碳纳米管、纳米线以及三维的制造工艺等新器件和新材料，也在进行技术攻关，有望进一步解决当前芯片面临的问题。这表示，摩尔定律或许有一天会暂时失效，但是只要历史滚滚向前，人类的发展就不会暂停。