摩尔定律有终结之日吗

科普中国网 2017-04-19

　　作者：张天蓉（理论物理博士，科学松鼠会会员）

　　1965年4月19日，英特尔创始人之一戈登·摩尔在《电子学》杂志发表了摩尔定律。即集成电路上晶体管的集成度大概平均18个月会翻倍，计算机性能也将提升一倍。摩尔定律到今天已经50多年了，它会面临终结吗？

　　回顾计算机发展史，从第一台经典计算机问世以来，它们的大小经历了天翻地覆的变化，从一个占据几栋楼房的庞然大物缩小到了人们的手掌上、口袋里。近20年，计算机技术更是经历了巨大的革命性飞跃，单个芯片上三极管的数目及运算的速度都是以指数形式逐年上升。无论是60多年前的充满整栋屋的庞然大物，还是现在的手机型电脑，基本原理却是万变不离其宗。英特尔公司创始人之一戈登·摩尔在20世纪70年代提出了“摩尔定律”，即集成电路上晶体管的集成度大概平均18个月会翻倍，计算机性能也将提升一倍。这一定律揭示了信息技术进步的速度之快。然而，集成技术的密集度，或者说集成电路的线宽不可能无限制地小下去，经典计算机将很快达到它的极限——三极管的大小将达到原子的尺度。有人曾预测，摩尔定律将于2016年走向终结。

　　预言摩尔定律将终结的论据主要有两点：高温和漏电。当集成电路的精细程度达到了原子级别，特别是当电路的线宽接近电子波长的时候，电子就通过隧道效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作，硅金属的集成电路就将彻底终结。

　　隧道效应在微电子学、光电子学以及纳米技术中都是很重要的，有很多用途。最早的应用就是扫描隧道显微镜。在光电子技术中，由于量子隧道效应，激光可以从一根光纤，进入相距很近的另一根光纤的内部，工程师利用这个原理，制成了光纤分光器。1957年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈在改良高频晶体管的过程中发现负电阻现象：当增加PN结两端的电压时，电流反而减少。这种反常现象可以用隧道效应来解释。此后，江崎利用这一效应制成了隧道二极管。近年来，人们发现了宏观的量子隧道效应，观察到一些宏观物理量，如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等，也显示出隧道效应。

　　这种宏观量子隧道效应将会是未来微电子器件的基础。摩尔定律是否将会终结，关键在于新型的电子技术能否担起继续发展的重任。近些年来，一些新奇量子材料如拓扑绝缘体的发现，使得宏观量子隧道效应的应用更加多样化。