《摩爾定律的多重人生（上）》，回顧了20世紀(jì)60年代摩爾定律提出的背景和半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展實(shí)踐。在下一部分中，
我們將了解影響摩爾定律的三大因素，了解摩爾定律1.0的“擴(kuò)展”和摩爾定律2.0的“縮減”是如何進(jìn)行的。經(jīng)過50年的發(fā)展，如今摩爾定律已經(jīng)進(jìn)入3.0時(shí)代，在不久的將來可能會(huì)被提上歷史舞臺(tái)，但其輝煌的遺產(chǎn)將永遠(yuǎn)影響半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。
1975年，在摩爾定律提出十年后，戈登摩爾重新審視了他之前的預(yù)測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行了修正。在1975年的IEEE國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議上，摩爾在這里解釋了修改后的定律，出發(fā)點(diǎn)是為了回答人們心中關(guān)于如何將集成芯片上的元件增加一倍的疑問。摩爾指出，導(dǎo)致這一趨勢(shì)的因素有三個(gè)：縮小元件體積、增加芯片面積和“工程智慧”，這意味著工程師可以減少集成芯片上晶體管之間無用的空間。
相信摩爾定律有一半是可以被實(shí)踐證明的，其余的都?xì)w功于“工程智慧”。不過，摩爾表示，一旦英特爾公司生產(chǎn)的CCD內(nèi)存投入市場(chǎng)，可能就不再需要工程智慧了。在電荷耦合器件存儲(chǔ)器中，所有的元件都排列緊密，它們之間不會(huì)有浪費(fèi)的空間。因此，摩爾再次預(yù)測(cè)，隨著晶體管變得越來越小，集成芯片變得越來越大，集成芯片上的元件數(shù)量翻一番所需的時(shí)間將越來越少。1965年，他預(yù)測(cè)這一數(shù)字將每?jī)赡攴环?，但現(xiàn)在他已將這一比率修正為每年翻一番。
具有諷刺意味的是，由于CCD內(nèi)存被證明容易出錯(cuò)，英特爾根本沒有發(fā)布該產(chǎn)品。然而，摩爾的預(yù)測(cè)在邏輯芯片和微處理器的發(fā)展中得到了證實(shí)。自20世紀(jì)70年代初以來，這些芯片一直在以每?jī)赡暌槐兜乃俣劝l(fā)展。然而，大規(guī)模包含相同晶體管的存儲(chǔ)芯片正在以更快的速度發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到每18個(gè)月將其組件翻倍的速度。這種增長(zhǎng)主要是由于其更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)過程。
在影響摩爾定律實(shí)現(xiàn)的三個(gè)要素中，有一個(gè)要素需要特殊處理，那就是縮小晶體管的尺寸。至少在可見的一段時(shí)間內(nèi)，有必要縮小晶體管的尺寸，在這個(gè)問題上沒有權(quán)衡。根據(jù)IBM工程師Robert Dennard提出的標(biāo)度律，隨著芯片上晶體管數(shù)量的增加，功率密度必須保持不變。新一代晶體管一直在進(jìn)步?？s小尺寸的晶體管不僅可以在集成電路中包含更多的元件，還可以使晶體管本身工作更快，消耗更少的能量。
晶體管的大小直接影響摩爾定律能否繼續(xù)發(fā)揮作用。在不斷發(fā)展的過程中，對(duì)晶體管產(chǎn)生了不同的處理方法。在我們成為摩爾定律1.0的初期，如果想要提升集成芯片的性能，通常需要依靠“擴(kuò)容”——，也就是在芯片上增加更多的電子元器件。起初，只要將包含電子元件的各種應(yīng)用可靠且廉價(jià)地封裝起來，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)似乎很簡(jiǎn)單。然而，由于這種做法，集成芯片變得更大、更復(fù)雜。20世紀(jì)70年代初，為了解決這個(gè)問題，微處理器誕生了。
然而，在過去的幾十年里，半導(dǎo)體行業(yè)的巨大進(jìn)步主要是由摩爾定律2.0推動(dòng)的。這個(gè)階段叫做“縮小”，也就是說在集成芯片所包含的晶體管數(shù)量不變的情況下，縮小晶體管的尺寸，降低制造成本。
雖然摩爾定律1.0和摩爾定律2.0在時(shí)間上不謀而合，但在半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展過程中可以看到，“萎縮”相對(duì)于“擴(kuò)張”逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。從20世紀(jì)80年代到90年代初，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展到一個(gè)關(guān)鍵的“節(jié)點(diǎn)”，我們稱之為“RAM時(shí)代”。1989年出現(xiàn)了4M DRAM，1992年也出現(xiàn)了16mb DRAM。每一次進(jìn)化都意味著集成芯片的工作能力變得更強(qiáng)，因?yàn)樵絹碓蕉嗟木w管可以包含在單個(gè)芯片中，而不會(huì)增加成本。
20世紀(jì)90年代初，我們開始更多地依靠“縮小”來創(chuàng)新晶體管。選擇這條發(fā)展道路是很自然的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)芯片不再需要包含盡可能多的晶體管。此時(shí)，集成電路已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、電子設(shè)備甚至玩具中。正因?yàn)槿绱?，為了提高集成電路的性能，降低制造成本，如何減小晶體管的尺寸成為一個(gè)關(guān)鍵問題。
最終，即使技術(shù)允許，微處理器的規(guī)模也不會(huì)像以前那樣擴(kuò)大。雖然目前的制造技術(shù)已經(jīng)能夠在邏輯芯片上放置100億個(gè)晶體管，但實(shí)際上很少有集成芯片能夠達(dá)到這個(gè)數(shù)值。這在很大程度上是因?yàn)榧尚酒脑O(shè)計(jì)跟不上。
摩爾定律1.0仍然被用于圖形處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程設(shè)備和少數(shù)超級(jí)計(jì)算機(jī)的微處理器，但摩爾定律2.0已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位。但今天，這條法律仍在改變。
改變正在發(fā)生
這種變化已經(jīng)開始了，因?yàn)榫w管小型化帶來的好處正在逐漸減少。這種趨勢(shì)出現(xiàn)在2000年左右，一個(gè)不愉快的現(xiàn)實(shí)逐漸出現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，晶體管的尺寸已經(jīng)開始縮小到不足100納米。根據(jù)丹尼德標(biāo)度律，標(biāo)度律已經(jīng)達(dá)到極限。晶體管的尺寸變得如此之小，這使得電子設(shè)備即使在關(guān)閉時(shí)也會(huì)泄漏，這不僅導(dǎo)致電子設(shè)備的嚴(yán)重能耗，而且降低了其可靠性。盡管人們使用新材料和新工藝來解決這個(gè)問題，但工程師們不得不停止大幅減少每個(gè)晶體管，以保持集成芯片的性能。
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?，在近十年以來，摩爾定律更多關(guān)注的是成本問題而不是性能問題，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)的晶體管所帶來的多核集成。
集成芯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，想要讓硅晶片的成本保持不變開始變得困難。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能夠制造出電子元件分布密度越來越大的集成芯片，并且能夠通過降低晶體管的價(jià)格來保持生產(chǎn)成本不變。不過時(shí)至今日，這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)也即將走到盡頭，因?yàn)槲g刻工藝變得越來越昂貴。
在過去的十年中，針對(duì)硅晶片的光刻工藝變得越來越復(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)速度超過了晶體管的成本降低速度。因此，下一代的晶體管將比過去的更貴。
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)波紫外線光通過液體介質(zhì)后光源波長(zhǎng)縮短來提高分辨率。人們想要使用短波紫外線來對(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始，晶體管的制作成本不再持續(xù)下降，而是不斷攀升。
關(guān)于摩爾定律的未來
回顧了摩爾定律五十年來的發(fā)展，展望未來，半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新還將持續(xù)，不過這種創(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)多帶帶芯片上集合各種不同的功能以降低系統(tǒng)成本。這聽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數(shù)字 CMOS 來連接外部，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，我們無法對(duì)其成功的路線圖進(jìn)行預(yù)測(cè)。
由此看開，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)為公司帶來經(jīng)濟(jì)收益，但是誰也不能保證在明天為芯片添加另一個(gè)功能還能帶來更多的回報(bào)。毋庸置疑，對(duì)于許多半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)有的公司來說這種轉(zhuǎn)變過程會(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。
