如今，芯片越做越小，作用卻越來(lái)越大。芯片不僅在計(jì)算機(jī)、電器工程、通信設(shè)備、運(yùn)輸系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施等多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要核心作用，而且作為手機(jī)、電腦的核心部件影響著無(wú)數(shù)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(kāi)發(fā)出世界上首款2納米規(guī)格的新型芯片——成功將超過(guò)500億個(gè)晶體管擠壓到了指甲大小的芯片上。如果未來(lái)量產(chǎn)，這款芯片將有望在保持相同性能的同時(shí)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(jī)用戶或許可以每隔四天充一次電。
IBM該款芯片突破了半導(dǎo)體行業(yè)當(dāng)前的技術(shù)瓶頸，將晶體管體積縮小至2納米，因此被業(yè)界視為延續(xù)摩爾定律的重要繼承者。那么，新芯片的發(fā)布是否意味著摩爾定律在未來(lái)十年的科技界仍然適用呢？
實(shí)際上，摩爾定律并非物理或數(shù)學(xué)公式，而是統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的概測(cè)法則，來(lái)自1965年由英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人Gordon Moore所提出的行業(yè)觀察：半導(dǎo)體行業(yè)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(gè)月安裝到芯片上的晶體管的數(shù)量就可以就是信息產(chǎn)業(yè)指數(shù)級(jí)的高速增長(zhǎng)模式——既體現(xiàn)在芯片制造內(nèi)部，也反映在計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和整個(gè)行業(yè)節(jié)奏層面。
首先，半導(dǎo)體行業(yè)自發(fā)確定了在研發(fā)制造上追趕摩爾定律翻倍。自提出以來(lái)，以芯片工業(yè)為代表的信息行業(yè)始終遵循著摩爾定律的預(yù)期，而摩爾定律則反向塑造了相關(guān)產(chǎn)業(yè)生態(tài)，其中最明顯的的目標(biāo)，芯片制造巨頭比如英特爾或者臺(tái)積電每年都需要花費(fèi)數(shù)十億美元用于開(kāi)發(fā)尺寸更小、性能更強(qiáng)的新芯片。他們的努力也確實(shí)卓有成效——憑借指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)速度，計(jì)算機(jī)行業(yè)不斷更新其自我定義：電腦從占據(jù)整個(gè)房間的龐然大物變?yōu)槲赵谡菩牡闹悄苁謾C(jī)，信息產(chǎn)業(yè)也在過(guò)去短短50年內(nèi)快速成長(zhǎng)為當(dāng)今社會(huì)最強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)以及技術(shù)力量。然而，以追求高速作為行業(yè)導(dǎo)向也存在諸多不利之處，最顯著的表現(xiàn)就是快速迭代的產(chǎn)品周期下，最新開(kāi)發(fā)的芯片在短短兩年內(nèi)就被下一個(gè)型號(hào)所取代，而研發(fā)人員則長(zhǎng)期受限于下一代芯片理想中龐大的量化數(shù)據(jù)，過(guò)于關(guān)注縮小芯片尺寸而忽略了真正的創(chuàng)新。
人們逐漸意識(shí)到，摩爾定律以及其所代表的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)并非是無(wú)限的。近幾年芯片更新的節(jié)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(dǎo)體行業(yè)還受到了越來(lái)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(lái)增加芯片上集成的晶體管數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)芯片的性能迭代。然而隨著硅電路越來(lái)越密集，晶體管面臨距離過(guò)短導(dǎo)致的發(fā)熱和漏電問(wèn)題。10納米以下的晶體管甚至?xí)霈F(xiàn)“量子隧穿效應(yīng)”，導(dǎo)致晶體管電子不規(guī)則移動(dòng)，嚴(yán)重影響芯片的運(yùn)算準(zhǔn)確性——對(duì)于以計(jì)算為核心功能的芯片，這無(wú)疑是一項(xiàng)沉重的打擊。
與此同時(shí)，芯片更新所需的研發(fā)和量產(chǎn)成本不斷升高。國(guó)際商業(yè)戰(zhàn)略公司（IBS）發(fā)現(xiàn)：（見(jiàn)下表）隨著尺寸不斷減少，芯片的研發(fā)成本也出現(xiàn)了指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。65納米的芯片僅需2850萬(wàn)美元作為研發(fā)成本，22納米的芯片也只增長(zhǎng)至3770萬(wàn)美元。然而到達(dá)10納米級(jí)別后，這一數(shù)字卻快速飆升至17440萬(wàn)美元，到5納米時(shí)甚至突破了5.42億美元。對(duì)比成本，新型號(hào)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益越發(fā)縮水。