來源：硅星聞

如今，芯片越做越小，作用卻越來越大。芯片不僅在計算機、電器工程、通信設備、運輸系統和基礎設施等多領域都發揮著重要核心作用，而且作為手機、電腦的核心部件影響著無數人的日常生活。今年5月，IBM奧爾巴尼（Albany）芯片制造研究中心成功開發出世界上首款2納米規格的新型芯片——成功將超過500億個晶體管擠壓到了指甲大小的芯片上。如果未來量產，這款芯片將有望在保持相同性能的同時減少75%的能源消耗，或在同等能源消耗條件下提高45%的性能水平——也就意味著配置新芯片的手機用戶或許可以每隔四天充一次電。

IBM該款芯片突破了半導體行業當前的技術瓶頸，將晶體管體積縮小至2納米，因此被業界視為延續摩爾定律的重要繼承者。那么，新芯片的發布是否意味著摩爾定律在未來十年的科技界仍然適用呢？

實際上，摩爾定律并非物理或數學公式，而是統計學意義上的概測法則，來自1965年由英特爾聯合創始人Gordon Moore所提出的行業觀察：半導體行業的根基晶體管始終保持較高的更新頻率，其體積快速減小，以至于每隔 18~24 個月安裝到芯片上的晶體管的數量就可以就是信息產業指數級的高速增長模式——既體現在芯片制造內部，也反映在計算機產業的產品設計和整個行業節奏層面。

首先，半導體行業自發確定了在研發制造上追趕摩爾定律翻倍。自提出以來，以芯片工業為代表的信息行業始終遵循著摩爾定律的預期，而摩爾定律則反向塑造了相關產業生態，其中最明顯的的目標，芯片制造巨頭比如英特爾或者臺積電每年都需要花費數十億美元用于開發尺寸更小、性能更強的新芯片。他們的努力也確實卓有成效——憑借指數級的增長速度，計算機行業不斷更新其自我定義：電腦從占據整個房間的龐然大物變為握在掌心的智能手機，信息產業也在過去短短50年內快速成長為當今社會最強大的產業以及技術力量。然而，以追求高速作為行業導向也存在諸多不利之處，最顯著的表現就是快速迭代的產品周期下，最新開發的芯片在短短兩年內就被下一個型號所取代，而研發人員則長期受限于下一代芯片理想中龐大的量化數據，過于關注縮小芯片尺寸而忽略了真正的創新。

人們逐漸意識到，摩爾定律以及其所代表的指數級增長并非是無限的。近幾年芯片更新的節奏已不斷放緩，英特爾原定2021年底推出的7納米芯片已推遲至2022年甚至2023年。不僅如此，摩爾定律在半導體行業還受到了越來越多的限制。

首先是芯片本身的物理極限，以往科研人員常常依靠縮小晶體管體積來增加芯片上集成的晶體管數量，從而實現芯片的性能迭代。然而隨著硅電路越來越密集，晶體管面臨距離過短導致的發熱和漏電問題。10納米以下的晶體管甚至會出現“量子隧穿效應”，導致晶體管電子不規則移動，嚴重影響芯片的運算準確性——對于以計算為核心功能的芯片，這無疑是一項沉重的打擊。

與此同時，芯片更新所需的研發和量產成本不斷升高。國際商業戰略公司（IBS）發現：（見下表）隨著尺寸不斷減少，芯片的研發成本也出現了指數級增長。65納米的芯片僅需2850萬美元作為研發成本，22納米的芯片也只增長至3770萬美元。然而到達10納米級別后，這一數字卻快速飆升至17440萬美元，到5納米時甚至突破了5.42億美元。對比成本，新型號所帶來的經濟效益越發縮水。

那么，IBM新推出的2芯片是否一掃摩爾定律近年的頹勢，意味著未來半導體行業仍然有能力保持此前指數級別的高速發展呢？——回答這個問題，首先需要回到IBM此次更新的技術實質：2納米所指向的具體尺寸并非物理層面上半導體管的溝道長度，而是芯片上排列晶體管的節點密度。硅的晶格常數是543pm，半導體管的溝道長度將很難在保持安全和準確的前提下取得突破。IBM本次取得的技術突破并非從根本上減少半導體管的長度，而主要來自其重新設計的GAA（環繞式柵極）架構：在單個晶體管尺寸接近的前提下，通過新設計增大晶體管節點的密度，以此達到提高芯片性能的最終效果。

雖然本次IBM利用新設計成功研發出2納米芯片，但該款芯片尚處實驗室研發階段，對成本的考慮較少，距離量產仍存在較長的距離。如果未來芯片行業試圖延續摩爾定律，需要采取IBM外的新方式——基本思路是將硬件與軟件更新相結合。

在硬件上，未來的芯片或許會采用新材料或新設計。新材料指芯片不再將硅作為唯一的選擇，而是開發一種運行速度不變，但大大減少發熱量的新材料（業界稱之為“毫伏開關”），目前候選的材料包括2D類石墨烯復合物、自旋電子材料等。新材料的應用有望徹底改變芯片的核心邏輯：通過電子自旋而非電子移動完成計算。新設計則依然以硅作為主要材料，但轉而采用全新的芯片配置架構：比如堆疊累積已蝕刻過微電路的硅薄層，盡量集中更多的計算資源，從而形成3D化的新型芯片。三星和美光技術目前著力推動的混合存儲立方體設計就是這種做法的案例之一。但是這種設計是否能有效解決發熱問題，以及最終量產的難度和成本依然是使該方案難以實現的重要原因。

除了更新硬件，芯片性能的提高也可以通過算法及軟件上的進步使同一枚芯片實現更多的功能。比如利用量子計算或者神經形態計算，通過更新模型為特定計算類型帶來指數性的速度增長。但是這些替代性計算模型大多用于科研實驗，如果真正應用于日常生活，其成本和能源消耗仍是難以忽視的問題。

除此之外，還有與提高芯片性能背道而馳的另一種發展路徑：降低移動設備的配置性能。基于長期歷史尺度下計算設備移動化的宏觀趨勢，此模式將普及把運算節點設置云端的方式，而移動設備僅需配置社交、辦公、瀏覽網頁、播放視頻之類最基礎的功能，一旦出現大負載運算需求就采用云計算加以實現，并最終通過無線互聯網體系在用戶終端上呈現結果。畢竟，多數用戶的關注點往往集中于切實的用戶體驗，包括續航、運算速度、產品設計等等，而從來不在于某個型號具體的性能數值。從用戶體驗的角度出發，云計算的發展前景無疑在移動設備領域具有強烈的吸引力和可行性。

雖然有種種手段試圖續寫摩爾定律，但過去那個高速增長的神話已不可能永遠延續。摩爾定律曾經設定了全球計算機產業的發展節奏，并形塑了今天我們所生活的社會。但離開摩爾定律，芯片依然在更新，進步仍然會發生。