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，在下篇中我們將認(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(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(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、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。

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)備耗能嚴(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男阅埽€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)。[!--empirenews.page--]

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。