如果將摩爾定律比為一個(gè)人，到今年他已經(jīng)是個(gè)50歲的中年人了。在這五十年中電子產(chǎn)業(yè)遵循著摩爾定律獲得了巨大的進(jìn)步，然而在今天人們也會(huì)想知道摩爾定律是否已經(jīng)過(guò)時(shí)，它還能不能適應(yīng)時(shí)代繼續(xù)對(duì)于未來(lái)電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到指導(dǎo)作用。在本文的上篇中我們將回到上世紀(jì)60年代，看看摩爾是在什么樣的時(shí)代背景與實(shí)踐中提出了摩爾定律，發(fā)現(xiàn)摩爾定律中不被重視的另一面。

　　半個(gè)世紀(jì)前，一個(gè)名叫戈登摩爾的年輕工程師仔細(xì)觀察了他所處的新興行業(yè)，并且對(duì)于接下來(lái)十年中在這一行業(yè)里會(huì)發(fā)生的各項(xiàng)大事件做出了自己的預(yù)測(cè)。這篇長(zhǎng)達(dá) 4 頁(yè)的預(yù)測(cè)文章被刊登在 Electronics 雜志上，這位年輕工程師預(yù)測(cè)在未來(lái)會(huì)出現(xiàn)家用計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話以及擁有自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的汽車(chē)。他在文章中預(yù)測(cè)集成芯片上可容納的電子元件數(shù)量將每年穩(wěn)定地增加一倍，這會(huì)使得集成芯片越來(lái)越經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而這也就是驅(qū)使他筆下那些奇思妙想的技術(shù)化為現(xiàn)實(shí)的動(dòng)力。

　　在文章發(fā)表十年之后，這一描述集成芯片上電子元件指數(shù)式增長(zhǎng)的「摩爾定律」并沒(méi)有停止下來(lái)的跡象。時(shí)至今日，摩爾定律在近五十年來(lái)的科技高速發(fā)展進(jìn)程中貫穿始終，遵循著摩爾定律的現(xiàn)代科技為人們的生活帶來(lái)了計(jì)算機(jī)、個(gè)人電子設(shè)備以及傳感器。摩爾定律對(duì)于現(xiàn)代化生活的影響是難以估量的，如果沒(méi)有集成芯片的不斷發(fā)展，我們坐不了飛機(jī)，打不了電話，甚至連洗碗機(jī)都用不了，更別提發(fā)現(xiàn)希格斯波色子與創(chuàng)造互聯(lián)網(wǎng)了。

　　但是說(shuō)到底，摩爾定律究竟是如何影響了我們的生活，它為什么能夠取得這樣的成就？摩爾說(shuō)明了技術(shù)進(jìn)步是毋庸置疑且勢(shì)不可擋的，還是它僅僅反應(yīng)了在一個(gè)特殊時(shí)期中的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r？時(shí)至今日，我們還能用摩爾定律來(lái)解釋最近十幾年計(jì)算機(jī)方面的技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新進(jìn)展嗎？

　　在我看來(lái)，摩爾定律的地位是毋庸置疑的。摩爾定律是時(shí)代的證明，它代表了人類(lèi)的辛勤工作、聰明才智以及來(lái)自自由市場(chǎng)的激勵(lì)。摩爾的預(yù)言在起初只是對(duì)于一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)的簡(jiǎn)單觀察總結(jié)，但是隨著時(shí)間的推移，它已經(jīng)成為了一種自我實(shí)現(xiàn)的預(yù)期。摩爾定律的實(shí)現(xiàn)是由千千萬(wàn)萬(wàn)創(chuàng)新公司與工程師們持續(xù)創(chuàng)造的結(jié)果，他們能夠從摩爾定律中看出行業(yè)發(fā)展的潛力，并且竭盡全力去保持技術(shù)上的領(lǐng)先地位，否則就會(huì)冒著落后于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的風(fēng)險(xiǎn)。

　　不過(guò)我也想說(shuō)，盡管摩爾定律被無(wú)休止地套用在解釋各類(lèi)技術(shù)進(jìn)步上，但是它并不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念。摩爾定律的含義在這幾十年的發(fā)展中經(jīng)過(guò)了反反復(fù)復(fù)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(lǐng)悟技術(shù)進(jìn)步的本質(zhì)以及從中預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展，那就還需要進(jìn)行深入地了解與觀察。

　　在上個(gè)世紀(jì) 60 年代，當(dāng)時(shí)硅谷還沒(méi)有名滿(mǎn)天下，年輕的戈登摩爾在仙童半導(dǎo)體公司擔(dān)任研發(fā)主管。在從肖克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室出走之后，他與別人一起在 1957 年成立了這家公司。在這家公司中，他們一起完成了硅晶體管的早期研發(fā)工作。

　　仙童公司是當(dāng)時(shí)為數(shù)不多的針對(duì)硅晶體管進(jìn)行開(kāi)發(fā)的公司，晶體管是一種可變電流開(kāi)關(guān)，能夠基于輸入電壓控制輸出電流，并可用于計(jì)算和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。仙童公司很快就從中發(fā)現(xiàn)了利基市場(chǎng)。

　　在當(dāng)時(shí)，大多數(shù)的電路是由單個(gè)晶體管、電阻、電容以及二極管連接組成，它們被手動(dòng)組裝在一塊電路板上。而在 1959 年，仙童公司的赫爾尼發(fā)明了平面晶體管，取代了之前的臺(tái)面晶體管。

　　有了這種平面晶體管，工程師就可以將多個(gè)晶體管布線互聯(lián)在一起，安裝在在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，制作出一種被稱(chēng)為「集成電路」的東西。德州儀器的杰克基爾比是集成電路方面的先驅(qū)者，他首先想到了電阻器和電容器 （無(wú)源元件） 可以用與晶體管 （有源器件） 相同的材料制造。摩爾的同事羅伯特？諾伊斯則用實(shí)踐顯示了平面晶體管可以被用來(lái)制造集成電路， 通過(guò)給晶體管覆蓋一層絕緣的氧化物涂層， 然后添加鋁線去連接不同的晶體管就可以實(shí)現(xiàn)。仙童公司將這種新的制造工藝投入到了首個(gè)硅集成電路的制作中，這種硅集成電路于 1961 年面世，剛剛開(kāi)始只包含了 4 個(gè)晶體管。到了 1965 年，該公司已經(jīng)能夠制作出包含了 64 個(gè)電子元件的集成電路了。

　　有了這些前期知識(shí)的積累，摩爾在 1965 年發(fā)表的一篇論文中做出了大膽的結(jié)論：集成電路代表了電子產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展方向。這聲明在今天看來(lái)當(dāng)然是不言自明的，但是在當(dāng)時(shí)那個(gè)年代卻引起了爭(zhēng)議。很多人都質(zhì)疑摩爾的觀點(diǎn)，認(rèn)為集成電路不過(guò)是電子產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)小小分支。

　　這些質(zhì)疑是可以被諒解的，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)集成電路的工藝比其他手工電路板產(chǎn)品復(fù)雜得多，而且也貴得多——從今天的計(jì)算角度來(lái)看，在當(dāng)時(shí)集成電路的成本高達(dá) 30 美元，而單個(gè)組件的成本不到 10 美元。在那個(gè)年代，生產(chǎn)集成電路的公司屈指可數(shù)，而他們真正的顧客也只有美國(guó)航空航天局以及美國(guó)軍方。

　　不過(guò)讓問(wèn)題更加復(fù)雜的是當(dāng)時(shí)的晶體管并不可靠。據(jù)摩爾回憶，在當(dāng)時(shí)單個(gè)晶體管大約只能發(fā)揮出 10%-20% 的功效。當(dāng)你將多個(gè)晶體管集成在同一塊電路板上，雖然期望它能夠發(fā)揮出最大的功效，但其實(shí)效果并不盡如人意。之所以會(huì)出現(xiàn)這種狀況，是因?yàn)檫@種操作邏輯是有缺陷的。雖然有 8 個(gè)晶體管被集成在同一塊電路板上，實(shí)際上它們并不能發(fā)揮出整體的效果，其工作效果還是等同 8 個(gè)獨(dú)立的晶體管。這是由于每個(gè)晶體管發(fā)生故障的概率是獨(dú)立的，且這種故障是隨機(jī)出現(xiàn)的，比如飛濺的油漆就能讓晶體管失效。如果兩個(gè)相鄰的晶體管中有一個(gè)發(fā)生了故障，那這兩個(gè)晶體管就會(huì)同時(shí)罷工。因此也就是說(shuō)當(dāng)把兩個(gè)晶體管連接在一起時(shí)，就要冒著一損俱損的風(fēng)險(xiǎn)。

　　雖然面臨種種困難，摩爾仍然堅(jiān)信集成電路總有一天會(huì)被證明是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。在他 1965 年發(fā)表的論文中，摩爾為了證明集成電路將擁有光明的未來(lái)，將仙童公司的第一代平面晶體管以及后續(xù)生產(chǎn)的一系列集成電路作為參照，構(gòu)建了一個(gè)對(duì)數(shù)模型。在該模型中，他發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間發(fā)展，每年集成電路上的元件數(shù)量就會(huì)增加一倍。

　　通過(guò)在模型中加上一條小小的趨勢(shì)線，摩爾做出了一個(gè)大膽的推斷：這種增長(zhǎng)趨勢(shì)將持續(xù) 10 年。到了 1975 年，他又預(yù)測(cè)人們將親眼目睹集成電路上的元件數(shù)量從 64 增長(zhǎng)到 65000。這個(gè)預(yù)測(cè)已經(jīng)相當(dāng)接近現(xiàn)實(shí)。在 1975 年時(shí)，英特爾公司準(zhǔn)備生產(chǎn)的電荷耦合（CCD）內(nèi)存芯片上就已經(jīng)包含了 32000 個(gè)元件，只要經(jīng)過(guò)一年的發(fā)展，其結(jié)果就會(huì)與摩爾的預(yù)測(cè)相當(dāng)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后成立的。

　　摩爾定律被忽視的內(nèi)容

　　當(dāng)我們回顧摩爾這篇重要的論文時(shí)，會(huì)從中發(fā)現(xiàn)一些被人忽視的細(xì)節(jié)。首先，摩爾的預(yù)測(cè)針對(duì)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(lái)當(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(lái)越少，這也就意味著數(shù)字時(shí)代開(kāi)始了。晶體管在集成電路中起到了主導(dǎo)作用，而對(duì)于集成電路復(fù)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(duì)于集成電路所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)注。在摩爾定律中所說(shuō)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(gè)元件的成本都能達(dá)到最小時(shí)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(gè)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(jì)實(shí)惠的選擇。在每一代芯片制造技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，集成電路中的元件數(shù)量都有著符合當(dāng)時(shí)實(shí)際情況的最佳平衡點(diǎn)。隨著你往集成電路上添加越來(lái)越多的元件，分?jǐn)偟矫恳粋€(gè)元件上面的成本是降低了，但是一旦這個(gè)數(shù)量超過(guò)了特定值，試圖往集成電路中添加更多的晶體管就會(huì)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(guò)了這個(gè)特定值上，每個(gè)元件的成本就會(huì)開(kāi)始增加。發(fā)展到今天，集成電路設(shè)計(jì)與制造的目標(biāo)仍然是將其電子元件控制在最佳平衡點(diǎn)上。

　　事實(shí)上，我并不認(rèn)為摩爾定律在今天已經(jīng)不能預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)了，我認(rèn)為摩爾定律再次處于一個(gè)變革的邊緣。

　　芯片制造技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，最佳平衡點(diǎn)也隨之不斷提升，集成電路上的元件數(shù)量越來(lái)越多的同時(shí)其制造成本也在降低。在過(guò)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(qián)的地步。我想即使是摩爾本人，可能也沒(méi)有預(yù)見(jiàn)到晶體管的成本會(huì)有到如此巨大的變化。但是在 1965 年時(shí)，他就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到集成電路不會(huì)一直這么價(jià)格高昂，會(huì)有高性能且廉價(jià)的組件對(duì)于現(xiàn)有的元件進(jìn)行替代，集成電路的發(fā)展趨勢(shì)是成為性能好、價(jià)格低的產(chǎn)品。

　　摩爾定律的三大要素

　　我們回顧了上世紀(jì)60年代摩爾定律被提出的時(shí)代背景與半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展實(shí)踐，在下面我們將認(rèn)識(shí)影響摩爾定律的三大要素，了解摩爾定律1.0的「擴(kuò)容」與摩爾定律2.0的「縮減」都是怎么回事。在經(jīng)過(guò)五十年的發(fā)展后，摩爾定律今天已經(jīng)進(jìn)入3.0時(shí)代，也許在不久的將來(lái)它會(huì)推出歷史的舞臺(tái)，但是它留下來(lái)的光輝遺產(chǎn)將會(huì)一直影響半導(dǎo)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(yù)測(cè)，并且做出了修正。在 1975 年的 IEEE 國(guó)際電子設(shè)備大會(huì)上，摩爾對(duì)于此處修正過(guò)后的定律做出了解釋?zhuān)淝腥朦c(diǎn)就是解答集成芯片上的元件是如何實(shí)現(xiàn)翻倍這一存在于人們心中的疑惑。摩爾指出有三個(gè)因素導(dǎo)致了這一趨勢(shì)：不斷縮小的元件體積，不斷增長(zhǎng)的芯片面積以及「工程智慧」，也就是說(shuō)工程師們可以減少集成芯片上晶體管之間無(wú)用的空間。

　　摩爾認(rèn)為之所以摩爾定律能夠不斷被實(shí)踐所證明，有一半要?dú)w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(chǎng)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(huì)存在被浪費(fèi)的空間。因此摩爾再次預(yù)測(cè)隨著晶體管越來(lái)越小，集成芯片越來(lái)越大，集成芯片上的元件數(shù)量翻倍增長(zhǎng)所用的時(shí)間將會(huì)越來(lái)越少。在 1965 年時(shí)他曾預(yù)測(cè)這個(gè)數(shù)量會(huì)每?jī)赡暝鲩L(zhǎng)一倍，現(xiàn)在他將這個(gè)速度修正到了每年增長(zhǎng)一倍。

　　不過(guò)具有諷刺意味的是，由于 CCD 內(nèi)存被證明很容易出錯(cuò)，所以英特爾公司根本就沒(méi)有發(fā)行該產(chǎn)品。但是摩爾的預(yù)測(cè)卻在邏輯芯片、微處理器的發(fā)展中得到了證實(shí)，從上世紀(jì)七十年代初期開(kāi)始，這些芯片就已經(jīng)按照了每?jī)赡晁环乃俣仍诎l(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(dá)到了每隔十八個(gè)月其包含元件就翻一番的速度，達(dá)到這一增長(zhǎng)速度大部分要?dú)w于其設(shè)計(jì)工藝更為簡(jiǎn)單。

　　在影響摩爾定律實(shí)現(xiàn)的三個(gè)要素中，有一個(gè)要素是需要特殊對(duì)待的，那就是縮小晶體管的尺寸。至少在可見(jiàn)的一段時(shí)間范圍內(nèi)，縮小晶體管的尺寸是必須為之的，在這個(gè)問(wèn)題上不存在權(quán)衡問(wèn)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(jìn)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(shí)也讓晶體管本身工作的更快、耗能更少。

　　晶體管的尺寸問(wèn)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(guò)程中，針對(duì)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(kuò)容」——也就是在芯片上添加更多的電子元件。起初，想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)看上去比較簡(jiǎn)單，只要將包含了電子元件的各類(lèi)應(yīng)用程序進(jìn)行可靠且廉價(jià)的打包起來(lái)就行。但是這種做法的結(jié)果是使得集成芯片變得越來(lái)越大，也越來(lái)越復(fù)雜。在上世紀(jì) 70 年代初期，為了解決這一問(wèn)題，微處理器誕生了。

　　不過(guò)在過(guò)去的幾十年中，半導(dǎo)體行業(yè)的長(zhǎng)足進(jìn)步主要是由摩爾定律 2.0 推動(dòng)的。這個(gè)階段被人們稱(chēng)作「縮減」，也就是說(shuō)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(shí)代與 2.0 時(shí)代在時(shí)間上有所重合，但是在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)程中可以看出「縮減」相比「擴(kuò)容」是逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。在上世紀(jì) 80 年代到 90 年代初期，半導(dǎo)體技術(shù)就發(fā)展到了一個(gè)關(guān)鍵「節(jié)點(diǎn)」上，我們將這一發(fā)展時(shí)期稱(chēng)為「RAM 時(shí)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(jìn)化都意味著集成芯片的工作能力變得更強(qiáng)大，因?yàn)樵诓辉黾映杀镜那闆r下單個(gè)芯片中所能包含的晶體管變得越來(lái)越多。

　　在上世紀(jì) 90 年代初期，我們開(kāi)始更多地依靠「縮減」來(lái)革新晶體管。選擇這條發(fā)展道路是很自然而然的，因?yàn)榇蠖鄶?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(shí)已經(jīng)開(kāi)始被大規(guī)模地運(yùn)用于汽車(chē)、電子設(shè)備甚至是玩具之中，正因?yàn)槿绱?，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(guān)鍵問(wèn)題。

　　最終，即使技術(shù)允許，微處理器的體積也不再像之前一樣不斷擴(kuò)大。雖然現(xiàn)在的制造技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在邏輯芯片上安放 100 億個(gè)晶體管，但是在實(shí)踐之中很少有集成芯片會(huì)達(dá)到這一數(shù)值。這在很大程度上來(lái)說(shuō)，是因?yàn)榧尚酒脑O(shè)計(jì)已經(jīng)跟不上了。

　　摩爾定律 1.0 至今仍然運(yùn)用在圖形處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程器件以及針對(duì)少數(shù)超級(jí)計(jì)算機(jī)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(guò)時(shí)至今日，這個(gè)定律繼續(xù)在發(fā)生變化。

　　改變正在發(fā)生

　　這種改變其實(shí)已經(jīng)開(kāi)始了，因?yàn)榫w管小型化所帶來(lái)的好處正逐步減少。這個(gè)趨勢(shì)出現(xiàn)在 2000 年左右，在那時(shí)一種令人并不愉快的現(xiàn)實(shí)逐步顯現(xiàn)出來(lái)。在當(dāng)時(shí)，晶體管的尺寸已經(jīng)開(kāi)始縮小到 100 納米以下，根據(jù) Dennard 此前提出的縮放比例定律，縮減法則已經(jīng)達(dá)到了極限。晶體管的體積變得如此微小，這使得電子設(shè)備即使在關(guān)閉時(shí)也會(huì)漏電，這不僅讓電子設(shè)備耗能?chē)?yán)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(lái)解決該問(wèn)題，但是工程師們?yōu)榱吮３旨尚酒男阅?，還是不得不停止了大幅度降低每個(gè)晶體管電壓的做法。

　　因?yàn)榭s放比例定律已經(jīng)不再適用，是否要繼續(xù)縮小晶體管尺寸就需要權(quán)衡了。讓晶體管體積變得更小，不再意味著其運(yùn)作效率有所提升。事實(shí)上，在今天想要像以往一樣縮小晶體管同時(shí)讓其保持相同的運(yùn)作速度與功耗是十分困難的。

　　正因?yàn)槿绱?，在近十年以?lái)，摩爾定律更多關(guān)注的是成本問(wèn)題而不是性能問(wèn)題，別忘了，我們之所以要將晶體管變得更小還是為了讓它更便宜。這并不是說(shuō)如今的微處理器不如 5 年或者 10 年前產(chǎn)品的性能好。雖然針對(duì)集成芯片的設(shè)計(jì)工藝不斷提升，但是性能方面的進(jìn)步大部分還是源于更為廉價(jià)的晶體管所帶來(lái)的多核集成。

　　集成芯片的成本問(wèn)題越來(lái)越引人注目，這也是摩爾定律中重要且不被人注意的方面：隨著晶體管越變?cè)叫?，我們能夠年?fù)一年保持用硅晶片制成的每平方厘米的集成芯片成本不變。摩爾推算出制造 1 英畝（約 4046 平方米）大小的集成芯片大概要花費(fèi) 10 億美元，不過(guò)芯片制造商很少在計(jì)算成本時(shí)會(huì)用面積做為參考標(biāo)準(zhǔn)。

　　在近十年來(lái)，想要讓硅晶片的成本保持不變開(kāi)始變得困難。因?yàn)橄胍鋬r(jià)格保持不變，就需要有穩(wěn)定的產(chǎn)量來(lái)支撐。在上世紀(jì) 70 年代硅晶片在集成芯片中的成本中只占 20% 左右，而如今已經(jīng)提高到了 80%-90%。硅晶片是一種圓形的硅材料，可以被切割成芯片。大規(guī)模生產(chǎn)使得制造硅晶片所需的多個(gè)如摻雜和蝕刻這樣的工序成本降低。更為重要的是，設(shè)備生產(chǎn)率大幅提升了。由于生產(chǎn)工具與生產(chǎn)工藝的提升，硅晶片在制造速度提高的同時(shí)其性能也得到了提升。

　　有三個(gè)因素決定了這一現(xiàn)實(shí)：不斷提升的產(chǎn)量、更大的硅晶片以及不斷提高的設(shè)備生產(chǎn)力。這一切使得芯片制造商在近十年來(lái)能夠制造出電子元件分布密度越來(lái)越大的集成芯片，并且能夠通過(guò)降低晶體管的價(jià)格來(lái)保持生產(chǎn)成本不變。不過(guò)時(shí)至今日，這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)也即將走到盡頭，因?yàn)槲g刻工藝變得越來(lái)越昂貴。

　　在過(guò)去的十年中，針對(duì)硅晶片的光刻工藝變得越來(lái)越復(fù)雜，這使得硅晶片的制造成本不斷提升，其成本增加速度大約是每年提高 10%。不過(guò)因?yàn)榕c此同時(shí)晶體管的體積每年約縮小 25%，針對(duì)每個(gè)晶體管來(lái)看其成本是降低了，但是在同一時(shí)間中總體制造成本的增長(zhǎng)速度超過(guò)了晶體管的成本降低速度。因此，下一代的晶體管將比過(guò)去的更貴。

　　如果光刻成本繼續(xù)快速增長(zhǎng)，我們所熟知的摩爾定律將很快走到終點(diǎn)?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些這樣的跡象。在今天先進(jìn)的芯片通常使用了沉浸式光刻技術(shù)，浸入式技術(shù)利用長(zhǎng)波紫外線光通過(guò)液體介質(zhì)后光源波長(zhǎng)縮短來(lái)提高分辨率。人們想要使用短波紫外線來(lái)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行改造，當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)該技術(shù)可以在 2004 年投入使用，但是實(shí)際上其進(jìn)入實(shí)際運(yùn)用的時(shí)間一直被推遲。這就使得芯片制造商不得不轉(zhuǎn)而繼續(xù)研發(fā)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(fèi)的制作時(shí)間也增加了 1 倍。芯片制造商還在試圖開(kāi)發(fā)出三重或者四重圖形模式，這當(dāng)然會(huì)進(jìn)一步提高生產(chǎn)成本。幾年后當(dāng)我們回顧 2015 年，將發(fā)現(xiàn)可能正是從這一年開(kāi)始，晶體管的制作成本不再持續(xù)下降，而是不斷攀升。

　　回顧了摩爾定律五十年來(lái)的發(fā)展，展望未來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新還將持續(xù)，不過(guò)這種創(chuàng)新很可能并不是系統(tǒng)性地降低晶體管的成本，而是在集成方面取得新進(jìn)展：在一個(gè)單獨(dú)芯片上集合各種不同的功能以降低系統(tǒng)成本。這聽(tīng)上去很像是摩爾定律 1.0 的時(shí)代的邏輯，但是在這種情況下我們并不是僅僅將不同邏輯的芯片集合在一起成為一塊更大的芯片，而是將在歷史上一直獨(dú)立于硅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(xiàn)代手機(jī)中的攝像頭功能，它通過(guò)硅穿孔將一個(gè)圖像傳感器直接集合到數(shù)字信號(hào)處理器上。在這之后還會(huì)出現(xiàn)更多此類(lèi)例子。集成芯片的設(shè)計(jì)者們已經(jīng)開(kāi)始探索如何對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行集成，這種技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn)將可以制造出微型加速計(jì)、陀螺儀乃至繼電器邏輯。這同樣適用于制造可以進(jìn)行生物測(cè)定與環(huán)境測(cè)試的微流體傳感器。

　　所有這些技術(shù)都將使用戶(hù)能夠直接通過(guò)數(shù)字 CMOS 來(lái)連接外部，模擬這個(gè)世界。如果這種新的傳感器和制動(dòng)器能夠以較低成本大規(guī)模生產(chǎn)，將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　這個(gè)被稱(chēng)作摩爾定律 3.0 的階段以及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的其他創(chuàng)新發(fā)展可能會(huì)產(chǎn)生「超越摩爾」的效果，但是可能并不經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。將非標(biāo)準(zhǔn)化電子元件集成到一個(gè)芯片之中可能會(huì)帶來(lái)許多令人興奮的結(jié)果，比如創(chuàng)造新產(chǎn)品或者是增加新的功能。但是這種發(fā)展并不是有規(guī)律可循的，我們無(wú)法對(duì)其成功的路線圖進(jìn)行預(yù)測(cè)。

　　由此看開(kāi)，電子產(chǎn)業(yè)的前進(jìn)道路將會(huì)更加撲朔迷離。在今天為一個(gè)芯片添加一個(gè)新功能可能會(huì)為公司帶來(lái)經(jīng)濟(jì)收益，但是誰(shuí)也不能保證在明天為芯片添加另一個(gè)功能還能帶來(lái)更多的回報(bào)。毋庸置疑，對(duì)于許多半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)有的公司來(lái)說(shuō)這種轉(zhuǎn)變過(guò)程會(huì)是十分痛苦的，勝負(fù)結(jié)果到現(xiàn)在還不能下定論。

　　不過(guò)我仍然認(rèn)為摩爾定律 3.0 是這個(gè)時(shí)代中最讓人激動(dòng)的定律。一旦我們得到像過(guò)去一樣容易量化的指標(biāo)，我們將看到富有創(chuàng)造力的應(yīng)用程序爆炸性地增長(zhǎng)：仿生操作將于身體無(wú)縫對(duì)接，手機(jī)可以檢測(cè)空氣質(zhì)量與水體質(zhì)量，微型傳感器將能從周邊環(huán)境獲取能量自給自足，還有很多我們想象不到的應(yīng)用將會(huì)出現(xiàn)在生活中。摩爾定律也許會(huì)逐漸退出歷史舞臺(tái)，但是它的遺產(chǎn)將會(huì)在很長(zhǎng)時(shí)間里面繼續(xù)推動(dòng)我們向前發(fā)展。

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