1965年，戈登·E·摩爾注意到晶片上的裝置數量（以及由此帶來的計算機潛在能力）每年翻一番——並預測這種情況將持續10年。儘管這看起來令人震驚，但這種持續的進步確實成真。他最初的觀察現在被稱為“摩爾定律”。作為英特爾公司的聯合創始人兼董事長，摩爾本人在驗證他的預測方面做了很多工作。每一次效能的飛躍都需要新技術，這些新技術縮小了電路線的尺寸，從而可以將更多的裝置封裝到一小片矽片上。自從摩爾領導的團隊生產出第一個真正的微處理器以來的25年裡，英特爾及其競爭對手已經能夠實現維持計算機革命所需的一系列技術突破。
但是半導體技術能走多遠呢？隨著微電路電晶體從微觀尺寸縮小到奈米尺寸，摩爾定律是否即將耗盡動力？在對戈登·摩爾進行的四部分採訪的第三部分中，摩爾與大眾科學西海岸編輯 W. Wayt Gibbs 討論了業界寄希望於為下一代計算機提供更快、更復雜的晶片的設計和製造方面的新進展
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第三部分
推進技術
大眾科學： 雖然計算機不斷需要更多和更多的記憶體——價格越來越低——但許多專家認為，我們在蝕刻越來越小的電路方面正接近光學技術的極限。有些人擔心由於不得不超越光學技術，製造成本的增加將出現質的飛躍。摩爾定律能在轉型中倖存下來嗎？
戈登·摩爾： 超越光學技術是一個真正的挑戰。我們不斷地進一步推進光學技術。坦率地說，我們做得比我曾經想象的還要遠。過去有一種傳統觀念認為，微晶片上最小的電路線寬為一微米是我們光學技術能夠達到的極限。現在我們可以做到四分之一微米。接下來的幾代——0.18微米，可能還有0.13微米——看起來我們可以用光學技術做到。
再往後，生活變得非常有趣。我們有三種同樣沒有吸引力的替代方案，也許是四種。我不太清楚會怎樣發展。在X射線方面已經投入了很多精力。據說X射線是半微米技術的首選技術；現在人們希望預測在亞微米級別——例如0.13微米——使用它們。
但這可能會變得更加困難——這是掩模的性質。X射線光刻需要一對一的陰影成像。在光學光刻中，我們使圖案比器件大得多，然後將其投影下來。嗯，一對一掩模問題非常嚴重，特別是對於X射線，因為掩模層必須足夠厚才能吸收X射線。
第一臺微型計算機，4004，於1971年創造了歷史。它包含2,300個電晶體，蝕刻在10微米寬的電路中，處理速度緩慢，僅為108KHz。 |
如果你在顯微鏡下觀察它，你會看到又高又細的特徵。在這些尺寸下，它們的高度遠大於寬度。要使掩模足夠完美，然後進行精確對準是非常困難的。因此，儘管在X射線方面仍在繼續進行大量工作，但我們中的一些人已經失去了對這項技術的熱情。
然後是電子束寫入的想法。這可以用來製作小特徵。但它往往相對較慢。隨著尺寸變小，光束為製作圖案而必須行進的總距離不斷增加。更精細的尺寸和更復雜的結構強調了速度的減慢。
現在，業界正在尋找方法來繞過這個問題，方法是使用形狀不同於鉛筆束的電子束——根據您要構建的特徵，使用正方形、矩形或任何其他形狀進行寫入。最壞的情況是，我們將能夠使用電子束製作一層或兩層非常精細的結構，然後使用光學技術新增不太精細的結構。這樣，您仍然可以在需要的地方製作非常小的電晶體。這並不能讓您達到您希望達到的程度，但它確實為您帶來了一些優勢。所以這有點像備用方案。
我們認為另一個值得認真考慮的選擇是使用介於X射線和我們現在使用的紫外線之間的中間波長。這已被命名為 EUV，即極紫外線。它曾經被稱為軟X射線，但X射線已經有了足夠壞的名聲，所以現在被稱為紫外線。這是一個波長在13奈米量級的範圍。
大眾科學： X射線的波長範圍是多少？
戈登·摩爾： 嗯，這實際上是軟X射線，但X射線通常在更像13埃的範圍內，小一個數量級。實際上，X射線工作通常在30埃左右完成。無論如何，在13奈米，0.013微米，在這個範圍內，你仍然可以製造鏡子。它們並不容易——你必須用大約81層掩模材料塗覆它們。而且使用目前的材料，反射率只有大約70%。
這實際上是我們為星球大戰[羅納德·里根時代的導彈防禦計劃]開發的技術。我們認為這可能是一個光刻系統，它可以將我們帶到材料允許的程度，離現在的水平還很遠。英特爾實際上正在努力召集一個行業聯盟來支援這項研究，看看它是否真的可行。然後還有像聚焦離子束這樣的東西。同樣，它具有解析度的可能性，但也存在很多問題。
但是如果EUV有效，我們就必須採用完全反射系統，因為在該範圍內沒有任何東西是透明的。您必須使用反射掩模而不是透明掩模，這絕對是技術的變革。您必須擁有真空系統。一切都必須完全封閉在惰性氣體中以穩定材料。您必須擁有新的抗蝕劑系統，一種可以在該波長下充分滲透它的物質。因此，要使其發揮作用，需要大量的工程設計。
大眾科學： 至少原則上，所有這些要素都存在並且可以工作，這是否清楚？
戈登·摩爾： 光學的東西是清楚的。是否存在具有所需特性的抗蝕劑？我不知道，但我懷疑是有的。人們可以製造X射線抗蝕劑，人們可以製造紫外線抗蝕劑。這將需要大量的嘗試，但真正瞭解有機化學的人會想出一些東西。
大眾科學： 有時被引用的另一個障礙是記憶體速度，瓶頸發生在處理器外部，阻止處理器以全速執行。
戈登·摩爾： 這是一個有趣的問題。過去確實如此。處理器的速度比記憶體快得多，這就是最初導致[英特爾CPU中使用的]複雜指令的原因。您希望計算機儘可能多地處理已有的東西。然後，當半導體記憶體的速度達到與處理器相同的數量級時，精簡指令集計算 (RISC) 處理器的概念就應運而生。
使用 RISC，您可以更頻繁地訪問記憶體並執行許多簡單指令。現在我們又回到了以前的情況，記憶體比處理器慢得多。我想這會將天平擺回到製造複雜指令的方向。
這是人們必須忍受的事情，但與此同時發生的事情是更多地依賴於快取記憶體儲存器，快取記憶體儲存器內置於微處理器本身中。快取記憶體儲存器的執行速度與處理器處於同一範圍內。在晶片上，您可以每週期從記憶體中獲取資料；在晶片外，您可以每隔幾個週期到達那裡。快取記憶體儲存器的效率非常高。因此，這解決了大部分問題。
大眾科學： 那麼您是否期望看到更多處理器實際空間用於快取記憶體？
戈登·摩爾： 這是一種選擇。但是，如果您檢視我們的奔騰 II，我們所做的是將大量快取記憶體儲存器塞進緊靠處理器的單獨封裝中。因此，我們有一些在晶片上，然後我們有更多在晶片外。我們認為至少目前這是一個更好的折衷方案。
大眾科學： 這是否為您提供了完全片上記憶體和單獨的 DRAM [動態隨機存取儲存器] 晶片之間的中間速度？
戈登·摩爾： 是的，它作為二級快取工作——即雙時鐘週期快取。在晶片上，您仍然可以保持一個週期。但是與訪問需要數十個時鐘週期的 DRAM 相比，兩個週期還不錯。
大眾科學： 隨著時鐘速度的提高以及晶片和管芯尺寸保持較大，同步問題如何？
英特爾最新的奔騰 II 於 1997 年首次亮相。它塞滿了 750 萬個電晶體，電路線僅為 0.25 微米。這些晶片以高達 300 兆赫的速度飛速執行。 |
戈登·摩爾： 這是需要高度關注的事情。這不是我擅長的領域，但我們的人似乎對此並不太擔心。在原始電路板中，保持整個電路板的時鐘訊號一致是一個問題。但在那裡，您的尺寸相當大。使用晶片，您可以在許多不同的點引入時鐘，因此您可以使其保持良好的同步。這需要良好的工程設計。
大眾科學： 有些人——例如 Sun Microsystems 的 Ivan Sutherland 和 Robert Sproull——認為，一旦您進入千兆赫範圍，嘗試保持整個時鐘訊號同步將成為一個真正的工程難題。
戈登·摩爾： 很多事情都變成了難題。功率至少也是一個大問題。如果您只是讓這些東西縮放——您使晶片更大，您使頻率更高——那麼您會使每單位面積的電容更高，因為您已經縮放了一切。在兩代技術中，例如從半微米到四分之一微米，這是向下兩步，降至起始尺寸的 50%。當您檢視製造更大晶片、更復雜和提高時鐘速度的趨勢時，如果您不做任何其他事情，功率會增加大約 40 倍。
如果您從 10 瓦的裝置開始並增加 40 倍……這東西會冒煙！它會讓你的腿暖和起來，這是肯定的。因此，這是一個真正需要關注的領域。當然，到目前為止，我們已經透過降低電壓來解決了這個問題。但是您只能在這方面走這麼遠。因此，當您進入這些高頻時，功率會成為一個真正的問題。
大眾科學： 功率是否是一個限制因素？
戈登·摩爾： 您有點處於一個多維框中，而功率是您必須擔心的維度之一。我懷疑時鐘偏移將是另一個維度。這些都是需要高度關注的難題，但我們也有很多人力在研究它們。很難說它最終會在何時限制我們。
在遇到麻煩之前，我們顯然還有很長的路要走。
大眾科學： 您能否談談您對一些技術的看法，這些技術被認為最有可能幫助延長當前計算機技術發展程序的壽命？相移掩模怎麼樣：您已經在製造中使用它們了嗎？
戈登·摩爾： 我們一直在避免使用它們。相移掩模允許您在給定波長下達到更小的尺寸。當您處理像微處理器上那樣的隨機佈局時，它們會變得非常複雜。在記憶體上使用它們更容易。但是，如果我們沒有更短的波長，那麼我們將不得不使用它來使用 193 奈米準分子雷射器完成 0.13 微米一代的技術。
大眾科學： 聽起來您認為它們最終會被使用，這只是時間問題。
戈登·摩爾： 我認為我們很可能會做類似的事情。我們一直都在做類似的事情，儘管我們不夠聰明，沒有稱之為相移掩模。多年來，如果我們想列印一個矩形——如果您只是製作一個矩形掩模，由於衍射，蝕刻圖案往往會具有圓角，看起來像一個枕頭——所以我們會在矩形的角周圍放一些小尖峰來平衡它，以便它打印出一個正方形。這實際上是一個相移掩模。
大眾科學： 在晶片上新增更多層怎麼樣？
戈登·摩爾： 更多層是我們現在做的事情，無需過多擔心。從一層到兩層很困難，從兩層到三層很困難，但從五層到六層——小菜一碟。一項技術已經出現，這真的很了不起。這就是頂部表面的化學機械拋光的概念。過去的問題是，隨著層數的增加，拋光變得一團糟。您會得到山脈和山谷以及底切層，並且效果不佳。現在，在放下每一層絕緣體和金屬之間，我們拋光金屬頂部或絕緣體頂部，使其平坦。因此，我們始終在平坦的表面上工作。這確實是允許構建多層結構的突破性技術。
大眾科學： 你們是如何拋光它們的？
戈登·摩爾： 我們有一臺大型研磨機，上面有一些粘稠物——化學機械，這就是它的名稱。他們使用漿料，這些漿料也會在一定程度上與表面發生化學反應。這不僅僅是研磨。但它給了他們一個非常平坦的表面。最終結果是，我們將五層堆疊在一起，然後問設計工程師：“您想要再加一層金屬嗎？”
大眾科學： 您認為這種趨勢會繼續下去嗎，晶片會變得更高嗎？
戈登·摩爾： 我認為會，是的。我認為這是我們可用的真正槓桿之一。
大眾科學： 更大的晶圓正在到來，對嗎？
戈登·摩爾： 恐怕是這樣。我又是一個懷疑論者。我說服自己，我們永遠不會超過 200 毫米晶圓。原因是，我認為材料成本將變得過高。但是將要供應它的人似乎認為他們可以做到。現在，我已經多年沒有去過矽晶體生長工廠了。自從我在那裡以來，他們一定學到了一些新東西。
大眾科學： 這是否需要一種全新的晶體生長技術，還是隻需要改進他們用來製造 200 毫米晶圓的技術？
戈登·摩爾： 它必須需要一些不同的東西，因為晶體懸掛在這個小小的晶種上。而且晶種的尺寸必須非常小，因為您必須在開始擴充套件之前將晶種中的所有缺陷擠出。您可以生長的晶體尺寸的限制過去是由該晶種的抗拉強度決定的：您可以從中懸掛多少重量。
這就是為什麼我認為您不能做得更大的原因。當您增加矽晶體的直徑並保持重量不變時，您必須將長度減少平方！因此，一個 8 英寸直徑的晶體可能大約為 18 英寸，而我可以看到一個 12 英寸的晶體只有一英尺長。然後，從尖端擴充套件到圓柱體的完整寬度需要更長的時間，然後再返回需要更長的時間。您需要一個更厚的鋸片，因此您必須切割更厚的晶圓。因此，一切都朝著這樣的方向發展：您從一個 12 英寸的晶體中獲得的晶圓數量遠少於一個 8 英寸的晶體。我認為這將是一個真正的限制。
現在一定有人學會了如何進入那裡並抓住晶體並使其繼續生長，而不是從晶種支撐所有重量。這在過去是不可能的。而且我不太清楚他們正在做什麼，也許他們正在使用短晶體。但不知何故，必須供應矽的人似乎認為 300 毫米是可以的。在這種情況下，該行業將構建 300 毫米晶圓。
大眾科學： 您認為它會變得更大的管芯尺寸嗎？
戈登·摩爾： 這些是有點獨立的變數。如果需要，我們可以在 200 毫米晶圓上安裝更大的管芯。這部分取決於光刻工具的視場。我們不喜歡必須拼接視場。但這方面的經濟性在很大程度上限制了這一點。我們出售面積，我們出售房地產。我們一直以每英畝矽約 10 億美元的價格出售它；DRAM 的價格略低，微處理器的價格略高。但是當我剛開始做生意時，我們以大約一半的價格出售它。問題是，如果您讓管芯變得太大，您的成本就會完全失控。因此，如果您在特定市場為您的產品支付多少錢方面受到限制，您也必須限制面積。
大眾科學： 假設這種趨勢將在未來 10 年內繼續下去，您認為所有額外的週期會發生什麼？我們將如何利用這種力量？
戈登·摩爾： 這變成了一個有趣的問題。幸運的是，軟體行業已經能夠利用我們可以給他們的任何速度和記憶體。事實上，他們拿走的比我們給的還多。我過去在 60 兆赫茲的 486 上執行 Windows 3.1，一切都執行良好。現在我有一臺 196 兆赫茲的奔騰執行 Windows95，很多事情花費的時間比以前在較慢的機器上花費的時間還要長。我想軟體中包含的內容更多了。
但我認為我們離良好語音識別不遠的一個應用。預測這一點是危險的，因為在過去的 25 年裡，它一直是五年後才能實現的應用。但我認為在我們正在談論的 10 年時間表內，它應該可以普遍使用。