摩爾定律:我這一輩子,見證了電子產業的崛起

　　如果將摩爾定律比為一個人，到今年他已經是個50歲的中年人了。在這五十年中電子產業遵循著摩爾定律獲得了巨大的進步，然而在今天人們也會想知道摩爾定律是否已經過時，它還能不能適應時代繼續對於未來電子產業發展起到指導作用。在本文的上篇中我們將回到上世紀60年代，看看摩爾是在什麼樣的時代背景與實踐中提出了摩爾定律，發現摩爾定律中不被重視的另一面。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/366914.htm

　　半個世紀前，一個名叫戈登摩爾的年輕工程師仔細觀察了他所處的新興行業，並且對於接下來十年中在這一行業裡會發生的各項大事件做出了自己的預測。這篇長達 4 頁的預測文章被刊登在 Electronics 雜誌上，這位年輕工程師預測在未來會出現家用計算機、行動電話以及擁有自動駕駛系統的汽車。他在文章中預測集成晶片上可容納的電子元件數量將每年穩定地增加一倍，這會使得集成晶片越來越經濟實惠，而這也就是驅使他筆下那些奇思妙想的技術化為現實的動力。

　　在文章發表十年之後，這一描述集成晶片上電子元件指數式增長的「摩爾定律」並沒有停止下來的跡象。時至今日，摩爾定律在近五十年來的科技高速發展進程中貫穿始終，遵循著摩爾定律的現代科技為人們的生活帶來了計算機、個人電子設備以及傳感器。摩爾定律對於現代化生活的影響是難以估量的，如果沒有集成晶片的不斷發展，我們坐不了飛機，打不了電話，甚至連洗碗機都用不了，更別提發現希格斯波色子與創造網際網路了。

　　但是說到底，摩爾定律究竟是如何影響了我們的生活，它為什麼能夠取得這樣的成就？摩爾說明了技術進步是毋庸置疑且勢不可擋的，還是它僅僅反應了在一個特殊時期中的技術發展狀況？時至今日，我們還能用摩爾定律來解釋最近十幾年計算機方面的技術進步與創新進展嗎？

　　在我看來，摩爾定律的地位是毋庸置疑的。摩爾定律是時代的證明，它代表了人類的辛勤工作、聰明才智以及來自自由市場的激勵。摩爾的預言在起初只是對於一個新興產業的簡單觀察總結，但是隨著時間的推移，它已經成為了一種自我實現的預期。摩爾定律的實現是由千千萬萬創新公司與工程師們持續創造的結果，他們能夠從摩爾定律中看出行業發展的潛力，並且竭盡全力去保持技術上的領先地位，否則就會冒著落後於競爭對手的風險。

　　不過我也想說，儘管摩爾定律被無休止地套用在解釋各類技術進步上，但是它並不僅僅是一個簡單的概念。摩爾定律的含義在這幾十年的發展中經過了反反覆覆的改變，直到今天它依然在不斷變化。如果我們想要從摩爾定律中領悟技術進步的本質以及從中預測未來的發展，那就還需要進行深入地了解與觀察。

　　

　　在上個世紀 60 年代，當時矽谷還沒有名滿天下，年輕的戈登摩爾在仙童半導體公司擔任研發主管。在從肖克利半導體實驗室出走之後，他與別人一起在 1957 年成立了這家公司。在這家公司中，他們一起完成了矽電晶體的早期研發工作。

　　仙童公司是當時為數不多的針對矽電晶體進行開發的公司，電晶體是一種可變電流開關，能夠基於輸入電壓控制輸出電流，並可用於計算和儲存數據。仙童公司很快就從中發現了利基市場。

　　在當時，大多數的電路是由單個電晶體、電阻、電容以及二極體連接組成，它們被手動組裝在一塊電路板上。而在 1959 年，仙童公司的赫爾尼發明了平面電晶體，取代了之前的臺面電晶體。

　　有了這種平面電晶體，工程師就可以將多個電晶體布線互聯在一起，安裝在在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，製作出一種被稱為「集成電路」的東西。德州儀器的傑克基爾比是集成電路方面的先驅者，他首先想到了電阻器和電容器 （無源元件） 可以用與電晶體 （有源器件） 相同的材料製造。摩爾的同事羅伯特？諾伊斯則用實踐顯示了平面電晶體可以被用來製造集成電路， 通過給電晶體覆蓋一層絕緣的氧化物塗層， 然後添加鋁線去連接不同的電晶體就可以實現。仙童公司將這種新的製造工藝投入到了首個矽集成電路的製作中，這種矽集成電路於 1961 年面世，剛剛開始只包含了 4 個電晶體。到了 1965 年，該公司已經能夠製作出包含了 64 個電子元件的集成電路了。

　　有了這些前期知識的積累，摩爾在 1965 年發表的一篇論文中做出了大膽的結論：集成電路代表了電子產業未來發展方向。這聲明在今天看來當然是不言自明的，但是在當時那個年代卻引起了爭議。很多人都質疑摩爾的觀點，認為集成電路不過是電子產業中的一個小小分支。

　　這些質疑是可以被諒解的，因為在當時集成電路的工藝比其他手工電路板產品複雜得多，而且也貴得多——從今天的計算角度來看，在當時集成電路的成本高達 30 美元，而單個組件的成本不到 10 美元。在那個年代，生產集成電路的公司屈指可數，而他們真正的顧客也只有美國航空航天局以及美國軍方。

　　不過讓問題更加複雜的是當時的電晶體並不可靠。據摩爾回憶，在當時單個電晶體大約只能發揮出 10%-20% 的功效。當你將多個電晶體集成在同一塊電路板上，雖然期望它能夠發揮出最大的功效，但其實效果並不盡如人意。之所以會出現這種狀況，是因為這種操作邏輯是有缺陷的。雖然有 8 個電晶體被集成在同一塊電路板上，實際上它們並不能發揮出整體的效果，其工作效果還是等同 8 個獨立的電晶體。這是由於每個電晶體發生故障的概率是獨立的，且這種故障是隨機出現的，比如飛濺的油漆就能讓電晶體失效。如果兩個相鄰的電晶體中有一個發生了故障，那這兩個電晶體就會同時罷工。因此也就是說當把兩個電晶體連接在一起時，就要冒著一損俱損的風險。

　　雖然面臨種種困難，摩爾仍然堅信集成電路總有一天會被證明是一種經濟實惠的選擇。在他 1965 年發表的論文中，摩爾為了證明集成電路將擁有光明的未來，將仙童公司的第一代平面電晶體以及後續生產的一系列集成電路作為參照，構建了一個對數模型。在該模型中，他發現隨著時間發展，每年集成電路上的元件數量就會增加一倍。

　　通過在模型中加上一條小小的趨勢線，摩爾做出了一個大膽的推斷：這種增長趨勢將持續 10 年。到了 1975 年，他又預測人們將親眼目睹集成電路上的元件數量從 64 增長到 65000(＄934.4500)。這個預測已經相當接近現實。在 1975 年時，英特爾公司準備生產的電荷耦合（CCD）內存晶片上就已經包含了 32000(＄0.1292) 個元件，只要經過一年的發展，其結果就會與摩爾的預測相當接近。而這家英特爾公司正是在 1968 年摩爾與諾伊斯、葛羅夫脫離了仙童公司後成立的。

　　摩爾定律被忽視的內容

　　當我們回顧摩爾這篇重要的論文時，會從中發現一些被人忽視的細節。首先，摩爾的預測針對的是集成電路上的電子元件數量，而不不僅僅是電晶體，電子元件中還包括了電阻、電容和二極體。在發展初期，集成電路中的電阻比電晶體還多。而後來當金屬氧化物半導體場效應電晶體出現之後，集成電路上電晶體之外的電子元件所需越來越少，這也就意味著數字時代開始了。電晶體在集成電路中起到了主導作用，而對於集成電路複雜性的衡量則主要依據它所包含的電晶體數量。

　　

　　這篇文章還揭示了摩爾對於集成電路所帶來的經濟效益的關注。在摩爾定律中所說的電子元件的數量，並不是指晶片上所包含的最大元件數量或者平均數量，而是指每個元件的成本都能達到最小時集成晶片上可以包含的元件數量。摩爾內心明白，在一個集成電路上所能夠放置的元件數量並不是越多越好，多並不一定代表著就是經濟實惠的選擇。在每一代晶片製造技術發展過程中，集成電路中的元件數量都有著符合當時實際情況的最佳平衡點。隨著你往集成電路上添加越來越多的元件，分攤到每一個元件上面的成本是降低了，但是一旦這個數量超過了特定值，試圖往集成電路中添加更多的電晶體就會使得缺陷出現的可能性增加，並降低了可用晶片的收益。只要超過了這個特定值上，每個元件的成本就會開始增加。發展到今天，集成電路設計與製造的目標仍然是將其電子元件控制在最佳平衡點上。

　　事實上，我並不認為摩爾定律在今天已經不能預測現實了，我認為摩爾定律再次處於一個變革的邊緣。

　　晶片製造技術已經取得了長足的進步，最佳平衡點也隨之不斷提升，集成電路上的元件數量越來越多的同時其製造成本也在降低。在過去的 50 年中，電晶體的製造成本已經從 30 美元下降到了今天幾乎不要錢的地步。我想即使是摩爾本人，可能也沒有預見到電晶體的成本會有到如此巨大的變化。但是在 1965 年時，他就已經認識到集成電路不會一直這麼價格高昂，會有高性能且廉價的組件對於現有的元件進行替代，集成電路的發展趨勢是成為性能好、價格低的產品。

　　摩爾定律的三大要素

　　我們回顧了上世紀60年代摩爾定律被提出的時代背景與半導體行業的發展實踐，在下面我們將認識影響摩爾定律的三大要素，了解摩爾定律1.0的「擴容」與摩爾定律2.0的「縮減」都是怎麼回事。在經過五十年的發展後，摩爾定律今天已經進入3.0時代，也許在不久的將來它會推出歷史的舞臺，但是它留下來的光輝遺產將會一直影響半導體行業的發展。

　　在摩爾定律被提出十年之後的 1975 年，戈登摩爾重新審視了此前他做出的預測，並且做出了修正。在 1975 年的 IEEE 國際電子設備大會上，摩爾對於此處修正過後的定律做出了解釋，其切入點就是解答集成晶片上的元件是如何實現翻倍這一存在於人們心中的疑惑。摩爾指出有三個因素導致了這一趨勢：不斷縮小的元件體積，不斷增長的晶片面積以及「工程智慧」，也就是說工程師們可以減少集成晶片上電晶體之間無用的空間。

　　摩爾認為之所以摩爾定律能夠不斷被實踐所證明，有一半要歸功於前兩種要素，其他則全是「工程智慧」的功勞。但是摩爾表示一旦英特爾公司所生產的 CCD 內存投入市場之後，工程智慧可能就不再那麼需要了。在 CCD 內存中，所有的元件排列的非常緊密，它們之中將不再會存在被浪費的空間。因此摩爾再次預測隨著電晶體越來越小，集成晶片越來越大，集成晶片上的元件數量翻倍增長所用的時間將會越來越少。在 1965 年時他曾預測這個數量會每兩年增長一倍，現在他將這個速度修正到了每年增長一倍。

　　不過具有諷刺意味的是，由於 CCD 內存被證明很容易出錯，所以英特爾公司根本就沒有發行該產品。但是摩爾的預測卻在邏輯晶片、微處理器的發展中得到了證實，從上世紀七十年代初期開始，這些晶片就已經按照了每兩年所包含元件翻一番的速度在發展。而包含了大規模相同電晶體的內存晶片其發展速度就更快了，已經達到了每隔十八個月其包含元件就翻一番的速度，達到這一增長速度大部分要歸於其設計工藝更為簡單。

　　在影響摩爾定律實現的三個要素中，有一個要素是需要特殊對待的，那就是縮小電晶體的尺寸。至少在可見的一段時間範圍內，縮小電晶體的尺寸是必須為之的，在這個問題上不存在權衡問題。根據 IBM 工程師 Robert Dennard 提出的縮放比例定律（譯者註：縮放比例定律，隨著晶片上電晶體數量的增加，功率密度必須保持不變），新一代的電晶體總是在不斷進步。尺寸縮減的電晶體不僅僅是的集成電路可以包含更多的元件，同時也讓電晶體本身工作的更快、耗能更少。

　　

　　電晶體的尺寸問題直接影響到了摩爾定律是否能持續發揮作用，在不斷發展的過程中，針對電晶體產生了截然不同的處理方法。在被我們成為摩爾定律 1.0 的早期階段中，集成晶片的性能想要有所提升，通常需要依靠「擴容」——也就是在晶片上添加更多的電子元件。起初，想要實現這一目標看上去比較簡單，只要將包含了電子元件的各類應用程式進行可靠且廉價的打包起來就行。但是這種做法的結果是使得集成晶片變得越來越大，也越來越複雜。在上世紀 70 年代初期，為了解決這一問題，微處理器誕生了。

　　不過在過去的幾十年中，半導體行業的長足進步主要是由摩爾定律 2.0 推動的。這個階段被人們稱作「縮減」，也就是說在集成晶片上所包含的電晶體數量不變的情況下，縮小電晶體的尺寸並且降低其製作成本。

　　雖然摩爾定律 1.0 時代與 2.0 時代在時間上有所重合，但是在半導體產業的發展過程中可以看出「縮減」相比「擴容」是逐漸佔據了主導地位。在上世紀 80 年代到 90 年代初期，半導體技術就發展到了一個關鍵「節點」上，我們將這一發展時期稱為「RAM 時代」，在 1989 年出現了 4M DRAM，而到了 1992 年 16-MB DRAM 也出現了。每一次進化都意味著集成晶片的工作能力變得更強大，因為在不增加成本的情況下單個晶片中所能包含的電晶體變得越來越多。

　　在上世紀 90 年代初期，我們開始更多地依靠「縮減」來革新電晶體。選擇這條發展道路是很自然而然的，因為大多數的晶片不再需要儘可能多地包含電晶體。集成電路在此時已經開始被大規模地運用於汽車、電子設備甚至是玩具之中，正因為如此，為了提高集成電路的性能並且降低製作成本，如何減小電晶體的尺寸已經成為了關鍵問題。

　　最終，即使技術允許，微處理器的體積也不再像之前一樣不斷擴大。雖然現在的製造技術已經能夠實現在邏輯晶片上安放 100 億個電晶體，但是在實踐之中很少有集成晶片會達到這一數值。這在很大程度上來說，是因為集成晶片的設計已經跟不上了。

　　摩爾定律 1.0 至今仍然運用在圖形處理器、現場可編程器件以及針對少數超級計算機的微處理器中，但是除此之外，摩爾定律 2.0 已經佔據了統治地位。不過時至今日，這個定律繼續在發生變化。

　　改變正在發生

　　這種改變其實已經開始了，因為電晶體小型化所帶來的好處正逐步減少。這個趨勢出現在 2000 年左右，在那時一種令人並不愉快的現實逐步顯現出來。在當時，電晶體的尺寸已經開始縮小到 100 納米以下，根據 Dennard 此前提出的縮放比例定律，縮減法則已經達到了極限。電晶體的體積變得如此微小，這使得電子設備即使在關閉時也會漏電，這不僅讓電子設備耗能嚴重，也降低其可靠性。雖然人們使用新材料和新的工藝方法來解決該問題，但是工程師們為了保持集成晶片的性能，還是不得不停止了大幅度降低每個電晶體電壓的做法。

　　因為縮放比例定律已經不再適用，是否要繼續縮小電晶體尺寸就需要權衡了。讓電晶體體積變得更小，不再意味著其運作效率有所提升。事實上，在今天想要像以往一樣縮小電晶體同時讓其保持相同的運作速度與功耗是十分困難的。

　　正因為如此，在近十年以來，摩爾定律更多關注的是成本問題而不是性能問題，別忘了，我們之所以要將電晶體變得更小還是為了讓它更便宜。這並不是說如今的微處理器不如 5 年或者 10 年前產品的性能好。雖然針對集成晶片的設計工藝不斷提升，但是性能方面的進步大部分還是源於更為廉價的電晶體所帶來的多核集成。

　　集成晶片的成本問題越來越引人注目，這也是摩爾定律中重要且不被人注意的方面：隨著電晶體越變越小，我們能夠年復一年保持用矽晶片製成的每平方釐米的集成晶片成本不變。摩爾推算出製造 1 英畝（約 4046 平方米）大小的集成晶片大概要花費 10 億美元，不過晶片製造商很少在計算成本時會用面積做為參考標準。

　　在近十年來，想要讓矽晶片的成本保持不變開始變得困難。因為想要其價格保持不變，就需要有穩定的產量來支撐。在上世紀 70 年代矽晶片在集成晶片中的成本中只佔 20% 左右，而如今已經提高到了 80%-90%。矽晶片是一種圓形的矽材料，可以被切割成晶片。大規模生產使得製造矽晶片所需的多個如摻雜和蝕刻這樣的工序成本降低。更為重要的是，設備生產率大幅提升了。由於生產工具與生產工藝的提升，矽晶片在製造速度提高的同時其性能也得到了提升。

　　有三個因素決定了這一現實：不斷提升的產量、更大的矽晶片以及不斷提高的設備生產力。這一切使得晶片製造商在近十年來能夠製造出電子元件分布密度越來越大的集成晶片，並且能夠通過降低電晶體的價格來保持生產成本不變。不過時至今日，這個發展趨勢也即將走到盡頭，因為蝕刻工藝變得越來越昂貴。

　　在過去的十年中，針對矽晶片的光刻工藝變得越來越複雜，這使得矽晶片的製造成本不斷提升，其成本增加速度大約是每年提高 10%。不過因為與此同時電晶體的體積每年約縮小 25%，針對每個電晶體來看其成本是降低了，但是在同一時間中總體製造成本的增長速度超過了電晶體的成本降低速度。因此，下一代的電晶體將比過去的更貴。

　　如果光刻成本繼續快速增長，我們所熟知的摩爾定律將很快走到終點。現在已經出現了一些這樣的跡象。在今天先進的晶片通常使用了沉浸式光刻技術，浸入式技術利用長波紫外線光通過液體介質後光源波長縮短來提高解析度。人們想要使用短波紫外線來對該技術進行改造，當時預計該技術可以在 2004 年投入使用，但是實際上其進入實際運用的時間一直被推遲。這就使得晶片製造商不得不轉而繼續研發能夠提高性能的雙重圖形模式，然而相比單一圖形模它所耗費的製作時間也增加了 1 倍。晶片製造商還在試圖開發出三重或者四重圖形模式，這當然會進一步提高生產成本。幾年後當我們回顧 2015 年，將發現可能正是從這一年開始，電晶體的製作成本不再持續下降，而是不斷攀升。

　　

　　回顧了摩爾定律五十年來的發展，展望未來，半導體行業的創新還將持續，不過這種創新很可能並不是系統性地降低電晶體的成本，而是在集成方面取得新進展：在一個單獨晶片上集合各種不同的功能以降低系統成本。這聽上去很像是摩爾定律 1.0 的時代的邏輯，但是在這種情況下我們並不是僅僅將不同邏輯的晶片集合在一起成為一塊更大的晶片，而是將在歷史上一直獨立於矽片之外的非邏輯功能加入其中。

　　在這方面的早期嘗試就是現代手機中的攝像頭功能，它通過矽穿孔將一個圖像傳感器直接集合到數位訊號處理器上。在這之後還會出現更多此類例子。集成晶片的設計者們已經開始探索如何對於微機電系統進行集成，這種技術一旦實現將可以製造出微型加速計、陀螺儀乃至繼電器邏輯。這同樣適用於製造可以進行生物測定與環境測試的微流體傳感器。

　　所有這些技術都將使用戶能夠直接通過數字 CMOS 來連接外部，模擬這個世界。如果這種新的傳感器和制動器能夠以較低成本大規模生產，將會帶來巨大的經濟效益。

　　這個被稱作摩爾定律 3.0 的階段以及半導體產業的其他創新發展可能會產生「超越摩爾」的效果，但是可能並不經濟實惠。將非標準化電子元件集成到一個晶片之中可能會帶來許多令人興奮的結果，比如創造新產品或者是增加新的功能。但是這種發展並不是有規律可循的，我們無法對其成功的路線圖進行預測。

　　由此看開，電子產業的前進道路將會更加撲朔迷離。在今天為一個晶片添加一個新功能可能會為公司帶來經濟收益，但是誰也不能保證在明天為晶片添加另一個功能還能帶來更多的回報。毋庸置疑，對於許多半導體行業現有的公司來說這種轉變過程會是十分痛苦的，勝負結果到現在還不能下定論。

　　不過我仍然認為摩爾定律 3.0 是這個時代中最讓人激動的定律。一旦我們得到像過去一樣容易量化的指標，我們將看到富有創造力的應用程式爆炸性地增長：仿生操作將於身體無縫對接，手機可以檢測空氣品質與水體質量，微型傳感器將能從周邊環境獲取能量自給自足，還有很多我們想像不到的應用將會出現在生活中。摩爾定律也許會逐漸退出歷史舞臺，但是它的遺產將會在很長時間裡面繼續推動我們向前發展。