林志忠觀點:局外人看摩爾定律

2022-12-04 06:40

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電晶體尺度的微小化已經到了極限,因為如再縮小,量子穿隧效應就會造成漏電流,危害晶片功能。(示意圖,顏麟宇攝)

電晶體尺度的微小化已經到了極限,因為如再縮小,量子穿隧效應就會造成漏電流,危害晶片功能。(示意圖,顏麟宇攝)

筆者雖非電機電子領域出身,也不在半導體產業工作,但做為一位低溫物理實驗學家,我一直對這項橫跨科學與人文的人類文明史上的最高成就之一:「摩爾定律(“Moore’s Law”)」,倍感好奇與充滿敬意。

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1947年,物理學家發明了電晶體。1961年,第一個商用積體電路在美國矽谷上市。短短四年之後(1965年),摩爾(Gordon E. Moore)應邀展望電子元件的未來時,他預測一個積體電路中的電晶體數目,將呈指數形式增長。因此,從那年一個積體電路中的電晶體數目約有60顆算起,2003年時已有一億顆,如今更高達一千億顆。最令人驚訝而讚嘆的是,摩爾當年預測這一增長「定律」時,他手中只有從1962到1965年四年間的四個數據點(如圖)。他這一膽大心細的技術與產業發展預測,既是天才的神來之筆,又展現出了哲人般的高瞻遠矚。

圖片攫自Gordon E. Moore, “Cramming More Components onto Integrated Circuits,” Electronics, pp. 114 – 117, April 19, 1965(作者提供)
圖片攫自Gordon E. Moore, “Cramming More Components onto Integrated Circuits,” Electronics, pp. 114 – 117, April 19, 1965(作者提供)

2015年,適逢摩爾定律誕生50週年。在接受紐約時報記者的祝賀和應景訪談時,摩爾特別標榜說,半世紀以來,整個半導體工業的繁榮興旺,都是來自於早期對一些材料的量子力學性質的理解。訪談中,摩爾用心良苦反覆強調基礎研究的重要性;他同時深深感慨,認為美國政府(在2010年代)已經不如1960年代般地腳踏實地投資基礎設施,訂定宏大目標,支持基礎科學研究了。

今年11月18日,國際著名期刊《科學(Science)》有一篇探討摩爾定律的前景的特邀文章,作者是美國普渡大學電機和計算機工程學院Mark S. Lundstrom教授及其合作者(請參見:Moore’s law: The journey ahead | Science)。文中,作者指出電晶體尺度的微小化已經到了極限,因為如再縮小,量子穿隧效應就會造成漏電流,危害晶片功能。作者繼續指出,採用立體多層方式把電晶體往上(三維)堆積在矽晶圓上,雖可增加單位面積的電晶體數,卻將造成晶片無法散熱。第三點,作者指出,當電晶體數目如天文數字般增加時,積體電路中的(分工/功能性)構成區塊數目也將持續增加,因此形成一個「複雜系統」,其性質將難以理解和模擬預測。最後這點,作者更引用美國已故物理學家Philip W. Anderson(1977年諾貝爾物理獎得主)的「多則生異(“More Is Different: Broken symmetry and the nature of the hierarchical structure of science”)」科學哲學觀點來佐證他們的論述,令人敬佩其專業功力之深厚與知識之廣博(Anderson的文章請參見:More Is Different | Science,「多則生異」是台大物理系退休教授楊信男建議的中譯)。

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