今天，你的智能手机的计算能力是年美国宇航局将宇航员送上月球时的多万倍。让我们了解一下吧，这是可能的，因为计算能力随着时间呈指数级增长。如果将同样的指数趋势应用于汽车行业，20年前一辆典型的家用轿车今天将拥有与大型客机相同的动力。
一张穿着工作服的工程师检查中央处理器的照片
这种指数趋势是由制造更小的晶体管（现代计算机芯片的基本组成部分）的科学家和工程师引发的。大约20年来，纳米技术一直处于这一发展的前沿。使这一切成为可能的科学是什么呢？
半导体晶体管技术
一些人认为纳米技术是科幻小说，但自年以来，半导体行业一直在销售使用特征长度小于纳米(nm)的设备的产品。如今，全球三大半导体制造商——英特尔、三星和台积电——拥有可实现个位数纳米范围内特征长度的制造工艺。
光刻工艺，该工艺可在硅片上创建复杂的图案。此图展示了ASML的一台照相平版印刷机的制作过程。来源:ASML
而光刻技术是这种小型化的关键组成部分。光刻技术类似于电影摄影（对于那些年纪足够大的人来说）。
在光刻技术中，在硅片上涂上一层薄薄的光刻胶。
然后，将紫外光图案暴露于光致抗蚀剂，并使用光化学试剂显影光致抗蚀剂。
不需要的光刻胶被洗掉，在硅上留下具有所需图案的抗蚀剂层。
这种图案化的抗蚀剂层为后续工艺步骤准备硅，并允许工程师在其上创建复杂的图案。因此，光刻工艺决定了电子元件的特性有多精细。
平面互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管剖面图。电压加到栅极时，在源极和漏极之间形成导电沟道，电流流动。
许多半导体制造商指定其晶体管的最小特征长度，以表明其CPU或中央处理单元的先进程度。CPU是任何现代计算机的“大脑”；CPU中的基本计算组件是晶体管。
每个晶体管都是一个开关，就像墙上的电灯开关。它可以处于开启或关闭状态。
当向由绝缘材料制成的栅极施加电压时，电流可以在源极和漏极之间流动；这使晶体管处于导通状态。
当栅极没有电压时，源极和漏极之间没有电流流动，晶体管处于关闭状态。
如果你有足够多的晶体管一起工作，你的CPU就可以计算。如今，数百亿晶体管的CPU并不少见。通过缩小最小组件尺寸，半导体制造商可以提高其CPU中的晶体管密度，这意味着可以将更多的计算能力装入相同的空间。
英特尔当前finFET晶体管技术(左)与其下一代ribbonFET晶体管技术(右)的对比。
目前英特尔在市场上最先进的晶体管设计是FinFET技术，该技术于年推向世界。这是半导体行业第一次使用三维晶体管设计；导电通道的形状像一个被绝缘材料覆盖的“鳍”。
英特尔已经宣布了下一代晶体管设计RibbonFET的计划。RibbonFET技术由一堆纳米带组成，与具有多个鳍的晶体管相比，这些纳米带能够在更小的占位面积内实现更高的导通电流。英特尔计划最早在年将采用RibbonFET技术的产品推向市场。
摩尔定律的图表，显示了随着时间的推移缩小的栅极间距。栅极间距被用于衡量半导体工艺技术的先进程度。
摩尔定律
这种晶体管缩小的趋势已经持续了几十年，是计算能力呈指数级增长的基础。这一趋势是如此重要，以至于它甚至有一个名字：摩尔定律。摩尔定律指出，由于晶体管尺寸的缩小，计算能力大约每两年翻一番。需要明确的是，摩尔定律是一个经济定律，而不是像热力学定律那样的自然物理定律。它以英特尔联合创始人戈登摩尔的名字命名，因为他是年第一个观察到这一趋势的人。
在他第一次观察之后的几十年里，摩尔定律指导着半导体行业的长期规划和设定研发目标。摩尔定律是20世纪末和21世纪初的技术和社会变革、生产力和经济增长的驱动力。
许多行业专家担心摩尔定律很快就会终结。今天设备的最小特征长度已经非常小，以至于持续缩小意味着它们很快就会只有几个原子。这对半导体行业的工程师提出了重大挑战。
电子隧穿出栅极的平面互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管的横截面图。漏电流会降低晶体管的能效。
首先，从物理学角度来看，电子可以很容易地以如此小的特征长度穿过势垒；在晶体管中，电子穿隧穿过栅极一直是个问题，这些泄漏的电子使单个晶体管的能量效率降低，并导致晶体管随着时间的推移而退化。当您的设备中有超过亿个此类晶体管时（与许多现代CPU一样），电子泄漏将成为一个主要问题。
半导体制造厂的建筑工程，用于制造半导体芯片。
其次，经济原因使继续摩尔定律所需的研究和开发变得复杂。业内有一条鲜为人知的定律，叫做洛克定律，也称为摩尔第二定律，它指出半导体制造厂的成本每四年翻一番。这些成倍增加的成本是由于在较小的长度范围内更高的制造复杂性造成的。代表美国半导体行业的行业协会半导体工业协会（SemiconductorIndustryAssociation）估计，年建造一座最先进的工厂可能需要高达亿美元的成本。出于这些原因，人们担心计算能力呈指数级增长的时代可能很快就会结束。
极紫外光刻技术
幸运的是，业界的科学家和工程师有一些巧妙的方法来扩展摩尔定律。极紫外(EUV)光刻技术是最近推出的一项技术，有望在未来十年继续缩小晶体管尺寸。在光刻法中，光致抗蚀剂层暴露于紫外光以在该层上印刷图案。紫外光的波长越短，意味着可以压印出更精细的特征。几十年来，光刻技术已经从纳米发展到纳米和纳米。
一位艺术家绘制的ASML最新亮相的极紫外照相平版印刷机。资料来源:ASML
EUV技术的首次亮相代表了从纳米到13.5纳米的飞跃。EUV研发始于年，经过数十年的科技突破，荷兰半导体设备制造商ASML率先推出该技术。所需的硬件非常庞大、复杂且昂贵。仅一台机器的成本就约为1.5亿美元。从ASML运送一台EUV机器需要40个货柜，分布在20辆卡车和3架货机上。
行业专家认为，EUV技术将使摩尔定律延续到年左右。所以看起来摩尔定律现在已经躲过了一劫，只有时间才能证明它会持续多久。
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