摩爾定律被忽視的內(nèi)容

　　當我們回顧摩爾這篇重要的論文時，會從中發(fā)現(xiàn)一些被人忽視的細節(jié)。首先，摩爾的預測針對的是集成電路上的電子元件數(shù)量，而不不僅僅是晶體管，電子元件中還包括了電阻、電容和二極管。在發(fā)展初期，集成電路中的電阻比晶體管還多。而后來當金屬氧化物半導體場效應晶體管出現(xiàn)之后，集成電路上晶體管之外的電子元件所需越來越少，這也就意味著數(shù)字時代開始了。晶體管在集成電路中起到了主導作用，而對于集成電路復雜性的衡量則主要依據(jù)它所包含的晶體管數(shù)量。

　　這篇文章還揭示了摩爾對于集成電路所帶來的經(jīng)濟效益的關注。在摩爾定律中所說的電子元件的數(shù)量，并不是指芯片上所包含的最大元件數(shù)量或者平均數(shù)量，而是指每個元件的成本都能達到最小時集成芯片上可以包含的元件數(shù)量。摩爾內(nèi)心明白，在一個集成電路上所能夠放置的元件數(shù)量并不是越多越好，多并不一定代表著就是經(jīng)濟實惠的選擇。在每一代芯片制造技術發(fā)展過程中，集成電路中的元件數(shù)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(shù)量超過了特定值，試圖往集成電路中添加更多的晶體管就會使得缺陷出現(xiàn)的可能性增加，并降低了可用芯片的收益。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(fā)展到今天，集成電路設計與制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，我并不認為摩爾定律在今天已經(jīng)不能預測現(xiàn)實了，我認為摩爾定律再次處于一個變革的邊緣。

　　芯片制造技術已經(jīng)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(shù)量越來越多的同時其制造成本也在降低。在過去的 50 年中，晶體管的制造成本已經(jīng)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，可能也沒有預見到晶體管的成本會有到如此巨大的變化。但是在 1965 年時，他就已經(jīng)認識到集成電路不會一直這么價格高昂，會有高性能且廉價的組件對于現(xiàn)有的元件進行替代，集成電路的發(fā)展趨勢是成為性能好、價格低的產(chǎn)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(yè)的發(fā)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」都是怎么回事。在經(jīng)過五十年的發(fā)展后，摩爾定律今天已經(jīng)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(chǎn)將會一直影響半導體行業(yè)的發(fā)展。

　　在摩爾定律被提出十年之后的 1975 年，戈登摩爾重新審視了此前他做出的預測，并且做出了修正。在 1975 年的 IEEE 國際電子設備大會上，摩爾對于此處修正過后的定律做出了解釋，其切入點就是解答集成芯片上的元件是如何實現(xiàn)翻倍這一存在于人們心中的疑惑。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，不斷增長的芯片面積以及「工程智慧」，也就是說工程師們可以減少集成芯片上晶體管之間無用的空間。

　　摩爾認為之所以摩爾定律能夠不斷被實踐所證明，有一半要歸功于前兩種要素，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(chǎn)的 CCD 內(nèi)存投入市場之后，工程智慧可能就不再那么需要了。在 CCD 內(nèi)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晶體管越來越小，集成芯片越來越大，集成芯片上的元件數(shù)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(shù)量會每兩年增長一倍，現(xiàn)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，由于 CCD 內(nèi)存被證明很容易出錯，所以英特爾公司根本就沒有發(fā)行該產(chǎn)品。但是摩爾的預測卻在邏輯芯片、微處理器的發(fā)展中得到了證實，從上世紀七十年代初期開始，這些芯片就已經(jīng)按照了每兩年所包含元件翻一番的速度在發(fā)展。而包含了大規(guī)模相同晶體管的內(nèi)存芯片其發(fā)展速度就更快了，已經(jīng)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于其設計工藝更為簡單。

　　在影響摩爾定律實現(xiàn)的三個要素中，有一個要素是需要特殊對待的，那就是縮小晶體管的尺寸。至少在可見的一段時間范圍內(nèi)，縮小晶體管的尺寸是必須為之的，在這個問題上不存在權衡問題。根據(jù) IBM 工程師 Robert Dennard 提出的縮放比例定律（譯者注：縮放比例定律，隨著芯片上晶體管數(shù)量的增加，功率密度必須保持不變），新一代的晶體管總是在不斷進步。尺寸縮減的晶體管不僅僅是的集成電路可以包含更多的元件，同時也讓晶體管本身工作的更快、耗能更少。

　　晶體管的尺寸問題直接影響到了摩爾定律是否能持續(xù)發(fā)揮作用，在不斷發(fā)展的過程中，針對晶體管產(chǎn)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，集成芯片的性能想要有所提升，通常需要依靠「擴容」——也就是在芯片上添加更多的電子元件。起初，想要實現(xiàn)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序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芯片變得越來越大，也越來越復雜。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(yè)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」，也就是說在集成芯片上所包含的晶體管數(shù)量不變的情況下，縮小晶體管的尺寸并且降低其制作成本。

　　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(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中可以看出「縮減」相比「擴容」是逐漸占據(jù)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(fā)展到了一個關鍵「節(jié)點」上，我們將這一發(fā)展時期稱為「RAM 時代」，在 1989 年出現(xiàn)了 4M DRAM，而到了 1992 年 16-MB DRAM 也出現(xiàn)了。每一次進化都意味著集成芯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芯片中所能包含的晶體管變得越來越多。

　　在上世紀 90 年代初期，我們開始更多地依靠「縮減」來革新晶體管。選擇這條發(fā)展道路是很自然而然的，因為大多數(shù)的芯片不再需要盡可能多地包含晶體管。集成電路在此時已經(jīng)開始被大規(guī)模地運用于汽車、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并且降低制作成本，如何減小晶體管的尺寸已經(jīng)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(xiàn)在的制造技術已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在邏輯芯片上安放 100 億個晶體管，但是在實踐之中很少有集成芯片會達到這一數(shù)值。這在很大程度上來說，是因為集成芯片的設計已經(jīng)跟不上了。

　　摩爾定律 1.0 至今仍然運用在圖形處理器、現(xiàn)場可編程器件以及針對少數(shù)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(jīng)占據(jù)了統(tǒng)治地位。不過時至今日，這個定律繼續(xù)在發(fā)生變化。