已经接近物理局限了吗？

刚过4月19日，就是家喻户晓的摩尔定律诞生50周年。电子和信息技术渗透并触及我们生活的方方面面。自1958年以来，集成电路的发明继续引领着电子革命。在很大程度上，技术行业似乎忠实地遵守着这个叫做摩尔定律的东西。1965年，戈登？戈登·摩尔从化学家变成了电子工程师，他注意到自从第一个集成电路问世以来，集成在芯片上的晶体管数量每年增加约两倍。他还大胆预测，这些部件的收缩速度将持续至少十年，并于1965年4月19日正式提出。然而，在那个时候，没有人把这条规则当作一条法律，而只是作为芯片开发规则的一个总结。就连他自己也认为摩尔定律不是定律，而是机会。然而，后来的发展不断验证这一说法，使它最终享有“法律”的荣誉，并修改它，使集成电路的集成度每18个月翻一番，或三年翻两番。

摩尔定律提出三年后，英特尔诞生了，摩尔成为公司的创始人之一。自从英特尔在1971年推出第一款微处理器英特尔4004以来，微处理器使用的晶体管数量的增加基本符合摩尔定律。还发现这不仅适用于描述存储芯片，而且可以准确地描述处理器能力和磁盘驱动器存储能力的发展。2013年，甚至生物学家也将摩尔定律应用于地球生命复杂性的研究。他们把摩尔定律中的晶体管变成核苷酸用于数学计算。结果显示，生命早在100亿年前就出现了，比地球上预测的45亿年要老得多。换句话说，当太阳系形成时，银河系的古老区域可能已经存在类似细菌的生物或一些简单的核苷酸。彗星、小行星或其他空间碎片到达地球的假设被称为生物发生理论(无处不在)。它一直是生命科学中的一个重要学派，甚至在摩尔定律中找到了它的基础。

几十年来，半导体行业的摩尔定律主要得益于制造技术方面的天才和壮举。然而，基础科学在这方面的重要作用也值得关注，尤其是当今天人们试图保持这种进步的速度时。20世纪40年代，由于半导体能带理论的发展，晶体管在新泽西州的贝尔实验室诞生。1959年，美国飞兆公司首次推出平面晶体管，1961年也推出了平面集成电路。“光刻”技术用于在抛光的硅晶片上形成半导体电路元件。只要“光刻”的精度不断提高，器件的密度也会相应增加，因此具有很大的发展潜力。因此，平面技术被认为是“整个半导体的工业关键”，也是摩尔定律的技术基础。此后，科学家们不断突破，为这项技术的发展做出了重要贡献。1970年，俄罗斯物理学家尼古拉·巴索夫(Nikolay Basov)和其他人开发了准分子激光器，可用于在硅片上蚀刻微小电路。

20世纪90年代，人们感觉到发展的瓶颈正在到来，需要进一步创新。在此之前，随着晶体管变得越来越小，它们的速度和能效不断提高。然而，当元件达到大约100微米时，小型化具有相反的效果和差的性能。由摩尔共同创立的英特尔和IBM再次重视通过基础科学寻找材料来提高晶体管性能。后来，在凝聚态物理学家的帮助下，他们了解到当晶格被拉伸时，硅的导电性可以大大提高。在21世纪，由于应变硅技术的引入，摩尔定律真的持续了许多年。到目前为止，半导体工业的发展从未停止，晶体管继续缩小，计算机芯片结合了越来越多的性能和功能。目前，最先进的微处理器晶体管只有10-14纳米宽，预计到2023年处理能力将达到6纳米。废热已经成为一个限制因素，这导致“计算机时钟速度的指数增长”在摩尔定律中不再适用。功耗芯片也限制了它们在移动设备中的应用。随着3D芯片和其他技术的枯竭，美国物理学家表示，定律将在10年内崩溃，也就是说，摩尔定律正在接近物理极限，需要真正的物理创新才能突破。

当氧化铪只有几个原子厚时，它就具有绝热性。这种先进材料的引入可以保持芯片的凉爽。这些努力可能导致产生一个或多个更小的晶体管，可能小到5纳米。然而，需要新的物理支持来进一步提高性能。我如何更进一步？也许这是一个利用量子隧道效应的晶体管，其中电流传输的是量子自旋而不是电荷。世界各地的实验室都在寻找能大大降低能耗的方法和材料。一种方法是利用原子集合的“拓扑”属性的固有稳定性，这是古代信息传输中使用的捆绑编码实践的现代解释。一些研究人员正在尝试最基本的“神经形态学”电路结构，这是受大脑神经网络可塑性的启发。

不可避免的是，一个在物理实验室中能很好工作的定律将不会被转化成大规模生产的方式，而今天的大部分努力和尝试最终可能会付诸东流。然而，社会应该有信心，也许在某个地方，出于某种原因，基础科学将提供一个模式来维持人类的这种进步。摩尔应该感到骄傲，因为到目前为止我们还没有发现他的定律有任何异常。