摩爾定律(Moore's Law)是英特爾共同創辦人戈登・摩爾於 1965年提出的經驗法則,觀察到「半導體晶片的電晶體數約每2年增加為2倍」。這條定律在約50年間一直是半導體產業技術路線圖的指引,使每1個電晶體的成本呈指數下降。從 Intel 4004(1971年・2300個電晶體)到 NVIDIA B200(2025年・2080億個電晶體),電晶體密度已提升約1800萬倍。
摩爾定律「終結」之所以受到討論,原因在於矽的物理極限。隨著電晶體閘極長度縮小到 5nm、3nm、2nm,量子穿隧造成的漏電流增加、數個原子等級的摻雜物擾動、庫倫阻塞效應等量子效應變得顯著。此外,功耗密度(W/mm²)急增,時脈頻率的微縮(登納德縮放定律)早在 2005年左右就已失效。因此業界正以 3D 堆疊、小晶片、新材料與新元件結構作為「摩爾定律的替代方案」進行探索。
支撐摩爾定律的主要技術革新歷史:平面 MOSFET(~90nm)→應變矽(90~45nm)→High-k/金屬閘極(45nm~)→FinFET(22nm~)→多重圖案化(10nm~)→EUV 曝光(7nm~)→GAA/奈米片(2nm~)。每項技術革新都跨越了微縮的障礙,讓實質的電晶體密度持續提升。
「More than Moore(超越摩爾定律)」的做法正在興起。這是透過 2.5D/3D 先進封裝(CoWoS・小晶片)堆疊晶粒,在不進行製程微縮的情況下提高每單位矽面積功能密度的方向。此外,結合矽光子、化合物半導體(GaN・SiC)、2D 材料(MoS₂ 等)的異質整合也在研究中。
對投資人與分析師而言,摩爾定律是預測資本支出週期的基準。每2年一次的世代交替(節點微縮)產生設備與材料的汰換週期,半導體產業的資本支出已達每年超過 1000億美元的規模。「只要摩爾定律持續」,設備需求就會持續成長;但因微縮極限而越需要 GAA、BSPDN 這類結構革新,每1片晶圓的製造工程數與使用設備數就越多,進而帶動設備市場單價上升。