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的地步。我想即使是摩爾本人，可能也沒(méi)有預(yù)見到晶體管的成本會(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，其切入點(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)開始被大規(guī)模地運(yùn)用于汽車、電子設(shè)備甚至是玩具之中，正因?yàn)槿绱耍瑸榱颂岣呒呻娐返男阅懿⑶医档椭谱鞒杀?，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。