張敏娟／輔仁大學物理系專任副教授。
摩爾定律（Moore’s Law）是英特爾創始人之一的高登．摩爾（Gordon Moore）在 1965 年提出的，他是這樣說的：「積體電路上可容納的電晶體數目，約每隔 24 個月便增加一倍。」後來，這個說法當中的時間期限，被縮短到英特爾執行長大衛．豪斯（David Hauss）所提出的 18 個月。
▲圖一：高登．摩爾於 1965 年提出摩爾定律。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／Flickr-OnInnovation，https://reurl.cc/L7O93K
簡單的說，若在相同面積的晶圓下生產同樣規格的 IC，隨著製程技術的進步，每隔 18 個月 IC 產出量就可增加一倍，換算為成本，即每隔 18 個月成本可降低五成。言下之意，就是 IC 技術每隔 18 個月就會有一個大幅的跳躍成長。
摩爾定律是簡單評估半導體技術進展的「經驗法則」，不是依據什麼高深的半導體理論。然而，這個經驗法則，竟然神準的預測了50年的半導體走向。
以隨身碟為例的演變
在 2015 年，摩爾定律滿 50 週年的時候，有許許多多的回顧文章，在討論著驚人的數位時代進展。以生活上常見的物品「隨身碟」為例。市場上每隔約 18 個月，就會出現大小不變，價位不變，但是儲存容量翻倍的隨身碟。從早期的 128M、256M、512M，演進到 1G、2G、4G、8G、16G、32G 等等。電子商場學乖了，避免囤積過時的隨身碟，每隔一陣子降價出清舊款，補充新款，讓店裡保持現金競爭力。消費者也學乖了，一次只買一個隨身碟，永遠等著更好的隨身碟在不久的未來出現。
隨著時代演進，雲端硬碟流行，檔案在網路上備份、分享、共筆漸趨成熟，電子信箱容量不足也更推了這個趨勢一把。還有，電腦軟硬體進步的速度快，更新與壞掉的速度也快，加上病毒與駭客的搗蛋，每18個月換電腦的痛苦過渡期，用雲端硬碟可以稍微減緩資料備份的痛苦。
便利商店的市場敏感度高，推出免隨身碟列印。要簽名的文件、要執行專案的細節、要練習的樂譜、要交的作業，在家中電腦做完檔案，或是從手機下載檔案，上傳到 7-11 的 ibon 或全家便利商店的 FamiPort，透過回傳的檔案代碼，挑家裡附近的任意一家便利商店連鎖店，印出來，繳費，完成。家裡省下買雷射印表機的錢，經濟又實惠。
不過，雲端硬碟的存取仍有網路不穩的風險。外出演講或報告，帶著隨身碟備用會比較安全。萬一網路狀況不佳，下載檔案時間過長，讓一群等著聽演講的觀眾失望，有失專業。利用雲端列印，也有便利商店的影印機處於維修狀況的風險。隨身碟帶著，還有緊急求救的機會。
今昔大學課程、演講與手機對照
［昔一］筆者 18 歲的時候（1993 年），大一的計算機概論，用透明塑膠片做成的投影片上課。投影機是又大又重的機器，上課時教授把薄薄的、透明的塑膠片放上投影機，投影出文字或圖形在黑板上。
［今一］現在都是全班帶去電腦教室，一人一台電腦，上機當場練習寫程式。
［昔二］1993～1999 年，大學教授製作投影片演講，是先電腦打字，用印表機印出紙本，再用影印機影印在塑膠片上。演講補充資料時，用有顏色的麥克筆寫在投影片上。每年丟掉數不清的塑膠投影片。
［今二］現在的大學，幾乎每間教室都是用電腦接上數位講台，無線上網，投影機將電腦螢幕投影到可以控制升降的白幕上。每間教室也有一隻定期保養的麥克風、一台定期檢查的電腦、一隻簡報筆控制投影片。教授每年的投影片可以修改，就算刪掉檔案，也不會有實體的浪費。
［昔三］1993～1999 年大學生沒有手機，在 1999 年後手機普及，但是那時手機功能只能打電話，還不能上網，更沒有 APP。
［今三］現在大學裡每個大學生人手一機，不但全校到處有 Wi-Fi，學生也能辦上網吃到飽。APP 非常多，輔助學習的工具盛況空前。點名、交作業、做練習題、看教學影片、玩遊戲，都是用手機 APP。現在每個人出門必帶的東西，除了鑰匙、錢包之外，就是手機了。
其實筆者還可以繼續列舉幾百件今昔差別，限於篇幅，以下省略。比較今昔的目的是要說明電腦與行動裝置越來越小、越來越便宜、越來越普及，學習的場所慢慢的從學校教室移出，從專業實驗室移出。
教育革命，靠著科技進展，如野火燎原，一發不可收拾。包含翻轉教室與磨課師（MOOCs，大規模開放式線上課程）的推動。創意、創業、創客，在知識取得變得容易之後，共同實作的場地與夥伴，就打破了年齡層與職業別的限制，臺灣的創作魂，被勾了起來。這都得靠科技業的摩爾定律，生生不息的降低高科技硬體的價格與提高電晶體的效能。
量子穿隧效應
2016 年 5 月 13 日，美國的 MIT Technology Review 出現一篇〈摩爾定律已死，接下來呢？〉（Moore’s Law Is Dead. Now What?）的文章。文章中提到手機上的各種 App，複雜的程式計算功能都能運作順利，主要是電腦晶片效能快速成長的功勞。沒錯，只有晶片計算效能優異，才能通通下載這些 APP，放入手機中，並且運作順暢。讓人們可以更方便地掌握生活所需的資料，例如：火車與高鐵的訂票、隨時同步的雲端行事曆、照相機、臉書等等。
令人擔心的問題是：不斷將更多的電晶體塞到一個晶片中的摩爾定律，極限是否將至？英特爾將其 10 奈米的製程從 2016 年延到 2017 年，市場就開始談論這個摩爾定律死亡的時間。甚至提出 5 年後壽終正寢的預言。摩爾定律為什麼會死？這是因為電晶體縮小到 10 奈米會到達物理極限，即量子穿隧效應。當電晶體的源極和汲極非常接近，像三明治一樣夾住閘極，當閘極尺寸縮減到 10 奈米，會引起量子穿隧效應。
在量子力學裡，量子穿隧效應為一種量子特性，就是像電子等微觀粒子，能夠穿過它們本來無法通過的「牆壁」的現象。粒子在微觀尺度下，波的特性會明顯地顯現出來。粒子以物質波形式行進，此時物質波是個機率函數，在通過某個位能「牆壁」時，一部份物質波反射、一部分物質波穿透，物質波穿透時會有穿隧電流。
在電晶體只有 10 奈米時，從源極直接穿隧到汲極的電流，會在電晶體關閉的時候進行電流流動，造成較大的發熱效應與消耗較多的電力。市場上依然希望發展更厲害的無人飛機、自動駕駛車、手機、物聯網、機器人等，這些都需要複雜計算、又需要小巧，沒了更厲害更輕巧的電晶體，可怎麼辦才好？
摩爾定律不死
摩爾定律真的會死嗎？讓我們來看幾個例子：2016 年 10 月 17 日，韓國三星官方宣布 10 奈米製程量產。三星的 10 奈米 FinFET 製程採用先進 3D 晶體管結構，相較三星 14 奈米製程晶圓效能將能提升 27%、功耗減少 40%、每晶圓晶片數量將能提升 30%。
2016 年 12 月 28 日，臺灣台積電官方宣布 10 奈米製程可以量產。在中科園區經過三次環境評估，終於通過。台積電似乎可以在 2017 年以贏者全拿的姿態橫掃訂單。
2017 年 1 月 6 日，美國英特爾執行長科再奇（Brian Krzanich），在發表會上拿著二合一電腦，其中搭載英特爾 10 奈米處理器 Cannon Lake，向三星與台積電等競爭對手宣示意味濃厚。科再奇也強調，摩爾定律仍舊運行著，在 10 奈米時仍不會被中斷是肯定的，且科再奇相信至 7 奈米、5 奈米摩爾定律依然可以持續。
10 奈米製程除了必須提高電晶體的運行速度，也必須降低能耗。因為只有這樣才能在伺服器晶片內加入更多核心，或者在 GPU 內加入更多執行單元，隨之而來的才能降低整體電晶體成本。綜合以上三個新聞，看起來三星、台積電、英特爾，仍然順利讓 10 奈米電晶體量產了。而且，台積電、格羅方德（GlobalFoundries）、三星等廠商也積極籌劃 7 奈米製程。
▲圖二：安裝於電路板上的電晶體。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／Shutterstock
▲圖三：電晶體上的晶片。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／Shutterstock
未來展望
目前有幾種被提出可以繼續摩爾定律的方法，一、改變電晶體閘極的幾何形狀，避免量子穿隧效應。二、找出矽的替代品，例如石墨烯、拓墣絕緣體、奈米碳管電晶體等。三、讓晶片工作強度更強，例如發展多核心晶片、改變儲存技術。四、計算方式改變，例如量子計算，類神經網路方式運算等。
時至今日，摩爾定律仍然老當益壯，沒打算壽終。不過，摩爾定律的黃昏，帶來機遇、混亂和大量的摧毀性創意。未來 5 年，到底誰能用什麼方法帶領新一波科技的進步，就讓我們拭目以待吧。
現代科技生活的墊腳石——半導體：下一篇⇢
本文轉載自《科學月刊》2017 年 2 月號
