1965年，戈登·E·摩尔注意到芯片上的设备数量（以及由此带来的计算机潜在能力）每年翻一番——并预测这种情况将持续10年。尽管这看起来令人震惊，但这种持续的进步确实成真。他最初的观察现在被称为“摩尔定律”。作为英特尔公司的联合创始人兼董事长，摩尔本人在验证他的预测方面做了很多工作。每一次性能的飞跃都需要新技术，这些新技术缩小了电路线的尺寸，从而可以将更多的设备封装到一小片硅片上。自从摩尔领导的团队生产出第一个真正的微处理器以来的25年里，英特尔及其竞争对手已经能够实现维持计算机革命所需的一系列技术突破。
但是半导体技术能走多远呢？随着微电路晶体管从微观尺寸缩小到纳米尺寸，摩尔定律是否即将耗尽动力？在对戈登·摩尔进行的四部分采访的第三部分中，摩尔与大众科学西海岸编辑 W. Wayt Gibbs 讨论了业界寄希望于为下一代计算机提供更快、更复杂的芯片的设计和制造方面的新进展
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第三部分
推进技术
大众科学： 虽然计算机不断需要更多和更多的内存——价格越来越低——但许多专家认为，我们在蚀刻越来越小的电路方面正接近光学技术的极限。有些人担心由于不得不超越光学技术，制造成本的增加将出现质的飞跃。摩尔定律能在转型中幸存下来吗？
戈登·摩尔： 超越光学技术是一个真正的挑战。我们不断地进一步推进光学技术。坦率地说，我们做得比我曾经想象的还要远。过去有一种传统观念认为，微芯片上最小的电路线宽为一微米是我们光学技术能够达到的极限。现在我们可以做到四分之一微米。接下来的几代——0.18微米，可能还有0.13微米——看起来我们可以用光学技术做到。
再往后，生活变得非常有趣。我们有三种同样没有吸引力的替代方案，也许是四种。我不太清楚会怎样发展。在X射线方面已经投入了很多精力。据说X射线是半微米技术的首选技术；现在人们希望预测在亚微米级别——例如0.13微米——使用它们。
但这可能会变得更加困难——这是掩模的性质。X射线光刻需要一对一的阴影成像。在光学光刻中，我们使图案比器件大得多，然后将其投影下来。嗯，一对一掩模问题非常严重，特别是对于X射线，因为掩模层必须足够厚才能吸收X射线。
第一台微型计算机，4004，于1971年创造了历史。它包含2,300个晶体管，蚀刻在10微米宽的电路中，处理速度缓慢，仅为108KHz。 |
如果你在显微镜下观察它，你会看到又高又细的特征。在这些尺寸下，它们的高度远大于宽度。要使掩模足够完美，然后进行精确对准是非常困难的。因此，尽管在X射线方面仍在继续进行大量工作，但我们中的一些人已经失去了对这项技术的热情。
然后是电子束写入的想法。这可以用来制作小特征。但它往往相对较慢。随着尺寸变小，光束为制作图案而必须行进的总距离不断增加。更精细的尺寸和更复杂的结构强调了速度的减慢。
现在，业界正在寻找方法来绕过这个问题，方法是使用形状不同于铅笔束的电子束——根据您要构建的特征，使用正方形、矩形或任何其他形状进行写入。最坏的情况是，我们将能够使用电子束制作一层或两层非常精细的结构，然后使用光学技术添加不太精细的结构。这样，您仍然可以在需要的地方制作非常小的晶体管。这并不能让您达到您希望达到的程度，但它确实为您带来了一些优势。所以这有点像备用方案。
我们认为另一个值得认真考虑的选择是使用介于X射线和我们现在使用的紫外线之间的中间波长。这已被命名为 EUV，即极紫外线。它曾经被称为软X射线，但X射线已经有了足够坏的名声，所以现在被称为紫外线。这是一个波长在13纳米量级的范围。
大众科学： X射线的波长范围是多少？
戈登·摩尔： 嗯，这实际上是软X射线，但X射线通常在更像13埃的范围内，小一个数量级。实际上，X射线工作通常在30埃左右完成。无论如何，在13纳米，0.013微米，在这个范围内，你仍然可以制造镜子。它们并不容易——你必须用大约81层掩模材料涂覆它们。而且使用目前的材料，反射率只有大约70%。
这实际上是我们为星球大战[罗纳德·里根时代的导弹防御计划]开发的技术。我们认为这可能是一个光刻系统，它可以将我们带到材料允许的程度，离现在的水平还很远。英特尔实际上正在努力召集一个行业联盟来支持这项研究，看看它是否真的可行。然后还有像聚焦离子束这样的东西。同样，它具有分辨率的可能性，但也存在很多问题。
但是如果EUV有效，我们就必须采用完全反射系统，因为在该范围内没有任何东西是透明的。您必须使用反射掩模而不是透明掩模，这绝对是技术的变革。您必须拥有真空系统。一切都必须完全封闭在惰性气体中以稳定材料。您必须拥有新的抗蚀剂系统，一种可以在该波长下充分渗透它的物质。因此，要使其发挥作用，需要大量的工程设计。
大众科学： 至少原则上，所有这些要素都存在并且可以工作，这是否清楚？
戈登·摩尔： 光学的东西是清楚的。是否存在具有所需特性的抗蚀剂？我不知道，但我怀疑是有的。人们可以制造X射线抗蚀剂，人们可以制造紫外线抗蚀剂。这将需要大量的尝试，但真正了解有机化学的人会想出一些东西。
大众科学： 有时被引用的另一个障碍是内存速度，瓶颈发生在处理器外部，阻止处理器以全速运行。
戈登·摩尔： 这是一个有趣的问题。过去确实如此。处理器的速度比内存快得多，这就是最初导致[英特尔CPU中使用的]复杂指令的原因。您希望计算机尽可能多地处理已有的东西。然后，当半导体内存的速度达到与处理器相同的数量级时，精简指令集计算 (RISC) 处理器的概念就应运而生。
使用 RISC，您可以更频繁地访问内存并执行许多简单指令。现在我们又回到了以前的情况，内存比处理器慢得多。我想这会将天平摆回到制造复杂指令的方向。
这是人们必须忍受的事情，但与此同时发生的事情是更多地依赖于高速缓存存储器，高速缓存存储器内置于微处理器本身中。高速缓存存储器的运行速度与处理器处于同一范围内。在芯片上，您可以每周期从内存中获取数据；在芯片外，您可以每隔几个周期到达那里。高速缓存存储器的效率非常高。因此，这解决了大部分问题。
大众科学： 那么您是否期望看到更多处理器实际空间用于高速缓存？
戈登·摩尔： 这是一种选择。但是，如果您查看我们的奔腾 II，我们所做的是将大量高速缓存存储器塞进紧靠处理器的单独封装中。因此，我们有一些在芯片上，然后我们有更多在芯片外。我们认为至少目前这是一个更好的折衷方案。
大众科学： 这是否为您提供了完全片上内存和单独的 DRAM [动态随机存取存储器] 芯片之间的中间速度？
戈登·摩尔： 是的，它作为二级缓存工作——即双时钟周期缓存。在芯片上，您仍然可以保持一个周期。但是与访问需要数十个时钟周期的 DRAM 相比，两个周期还不错。
大众科学： 随着时钟速度的提高以及芯片和管芯尺寸保持较大，同步问题如何？
英特尔最新的奔腾 II 于 1997 年首次亮相。它塞满了 750 万个晶体管，电路线仅为 0.25 微米。这些芯片以高达 300 兆赫的速度飞速运行。 |
戈登·摩尔： 这是需要高度关注的事情。这不是我擅长的领域，但我们的人似乎对此并不太担心。在原始电路板中，保持整个电路板的时钟信号一致是一个问题。但在那里，您的尺寸相当大。使用芯片，您可以在许多不同的点引入时钟，因此您可以使其保持良好的同步。这需要良好的工程设计。
大众科学： 有些人——例如 Sun Microsystems 的 Ivan Sutherland 和 Robert Sproull——认为，一旦您进入千兆赫范围，尝试保持整个时钟信号同步将成为一个真正的工程难题。
戈登·摩尔： 很多事情都变成了难题。功率至少也是一个大问题。如果您只是让这些东西缩放——您使芯片更大，您使频率更高——那么您会使每单位面积的电容更高，因为您已经缩放了一切。在两代技术中，例如从半微米到四分之一微米，这是向下两步，降至起始尺寸的 50%。当您查看制造更大芯片、更复杂和提高时钟速度的趋势时，如果您不做任何其他事情，功率会增加大约 40 倍。
如果您从 10 瓦的设备开始并增加 40 倍……这东西会冒烟！它会让你的腿暖和起来，这是肯定的。因此，这是一个真正需要关注的领域。当然，到目前为止，我们已经通过降低电压来解决了这个问题。但是您只能在这方面走这么远。因此，当您进入这些高频时，功率会成为一个真正的问题。
大众科学： 功率是否是一个限制因素？
戈登·摩尔： 您有点处于一个多维框中，而功率是您必须担心的维度之一。我怀疑时钟偏移将是另一个维度。这些都是需要高度关注的难题，但我们也有很多人力在研究它们。很难说它最终会在何时限制我们。
在遇到麻烦之前，我们显然还有很长的路要走。
大众科学： 您能否谈谈您对一些技术的看法，这些技术被认为最有可能帮助延长当前计算机技术发展进程的寿命？相移掩模怎么样：您已经在制造中使用它们了吗？
戈登·摩尔： 我们一直在避免使用它们。相移掩模允许您在给定波长下达到更小的尺寸。当您处理像微处理器上那样的随机布局时，它们会变得非常复杂。在内存上使用它们更容易。但是，如果我们没有更短的波长，那么我们将不得不使用它来使用 193 纳米准分子激光器完成 0.13 微米一代的技术。
大众科学： 听起来您认为它们最终会被使用，这只是时间问题。
戈登·摩尔： 我认为我们很可能会做类似的事情。我们一直都在做类似的事情，尽管我们不够聪明，没有称之为相移掩模。多年来，如果我们想打印一个矩形——如果您只是制作一个矩形掩模，由于衍射，蚀刻图案往往会具有圆角，看起来像一个枕头——所以我们会在矩形的角周围放一些小尖峰来平衡它，以便它打印出一个正方形。这实际上是一个相移掩模。
大众科学： 在芯片上添加更多层怎么样？
戈登·摩尔： 更多层是我们现在做的事情，无需过多担心。从一层到两层很困难，从两层到三层很困难，但从五层到六层——小菜一碟。一项技术已经出现，这真的很了不起。这就是顶部表面的化学机械抛光的概念。过去的问题是，随着层数的增加，抛光变得一团糟。您会得到山脉和山谷以及底切层，并且效果不佳。现在，在放下每一层绝缘体和金属之间，我们抛光金属顶部或绝缘体顶部，使其平坦。因此，我们始终在平坦的表面上工作。这确实是允许构建多层结构的突破性技术。
大众科学： 你们是如何抛光它们的？
戈登·摩尔： 我们有一台大型研磨机，上面有一些粘稠物——化学机械，这就是它的名称。他们使用浆料，这些浆料也会在一定程度上与表面发生化学反应。这不仅仅是研磨。但它给了他们一个非常平坦的表面。最终结果是，我们将五层堆叠在一起，然后问设计工程师：“您想要再加一层金属吗？”
大众科学： 您认为这种趋势会继续下去吗，芯片会变得更高吗？
戈登·摩尔： 我认为会，是的。我认为这是我们可用的真正杠杆之一。
大众科学： 更大的晶圆正在到来，对吗？
戈登·摩尔： 恐怕是这样。我又是一个怀疑论者。我说服自己，我们永远不会超过 200 毫米晶圆。原因是，我认为材料成本将变得过高。但是将要供应它的人似乎认为他们可以做到。现在，我已经多年没有去过硅晶体生长工厂了。自从我在那里以来，他们一定学到了一些新东西。
大众科学： 这是否需要一种全新的晶体生长技术，还是只需要改进他们用来制造 200 毫米晶圆的技术？
戈登·摩尔： 它必须需要一些不同的东西，因为晶体悬挂在这个小小的晶种上。而且晶种的尺寸必须非常小，因为您必须在开始扩展之前将晶种中的所有缺陷挤出。您可以生长的晶体尺寸的限制过去是由该晶种的抗拉强度决定的：您可以从中悬挂多少重量。
这就是为什么我认为您不能做得更大的原因。当您增加硅晶体的直径并保持重量不变时，您必须将长度减少平方！因此，一个 8 英寸直径的晶体可能大约为 18 英寸，而我可以看到一个 12 英寸的晶体只有一英尺长。然后，从尖端扩展到圆柱体的完整宽度需要更长的时间，然后再返回需要更长的时间。您需要一个更厚的锯片，因此您必须切割更厚的晶圆。因此，一切都朝着这样的方向发展：您从一个 12 英寸的晶体中获得的晶圆数量远少于一个 8 英寸的晶体。我认为这将是一个真正的限制。
现在一定有人学会了如何进入那里并抓住晶体并使其继续生长，而不是从晶种支撑所有重量。这在过去是不可能的。而且我不太清楚他们正在做什么，也许他们正在使用短晶体。但不知何故，必须供应硅的人似乎认为 300 毫米是可以的。在这种情况下，该行业将构建 300 毫米晶圆。
大众科学： 您认为它会变得更大的管芯尺寸吗？
戈登·摩尔： 这些是有点独立的变量。如果需要，我们可以在 200 毫米晶圆上安装更大的管芯。这部分取决于光刻工具的视场。我们不喜欢必须拼接视场。但这方面的经济性在很大程度上限制了这一点。我们出售面积，我们出售房地产。我们一直以每英亩硅约 10 亿美元的价格出售它；DRAM 的价格略低，微处理器的价格略高。但是当我刚开始做生意时，我们以大约一半的价格出售它。问题是，如果您让管芯变得太大，您的成本就会完全失控。因此，如果您在特定市场为您的产品支付多少钱方面受到限制，您也必须限制面积。
大众科学： 假设这种趋势将在未来 10 年内继续下去，您认为所有额外的周期会发生什么？我们将如何利用这种力量？
戈登·摩尔： 这变成了一个有趣的问题。幸运的是，软件行业已经能够利用我们可以给他们的任何速度和内存。事实上，他们拿走的比我们给的还多。我过去在 60 兆赫兹的 486 上运行 Windows 3.1，一切都运行良好。现在我有一台 196 兆赫兹的奔腾运行 Windows95，很多事情花费的时间比以前在较慢的机器上花费的时间还要长。我想软件中包含的内容更多了。
但我认为我们离良好语音识别不远的一个应用。预测这一点是危险的，因为在过去的 25 年里，它一直是五年后才能实现的应用。但我认为在我们正在谈论的 10 年时间表内，它应该可以普遍使用。