摩尔定律的多重人生（下）？

《摩尔定律的多重人生（上）》，回顾了20世纪60年代摩尔定律提出的背景和半导体行业的发展实践。在下一部分中，

我们将了解影响摩尔定律的三大因素，了解摩尔定律1.0的“扩展”和摩尔定律2.0的“缩减”是如何进行的。经过50年的发展，如今摩尔定律已经进入3.0时代，在不久的将来可能会被提上历史舞台，但其辉煌的遗产将永远影响半导体行业的发展。

1975年，在摩尔定律提出十年后，戈登摩尔重新审视了他之前的预测，并对其进行了修正。在1975年的IEEE国际电子设备会议上，摩尔在这里解释了修改后的定律，出发点是为了回答人们心中关于如何将集成芯片上的元件增加一倍的疑问。摩尔指出，导致这一趋势的因素有三个：缩小元件体积、增加芯片面积和“工程智慧”，这意味着工程师可以减少集成芯片上晶体管之间无用的空间。

相信摩尔定律有一半是可以被实践证明的，其余的都归功于“工程智慧”。不过，摩尔表示，一旦英特尔公司生产的CCD内存投入市场，可能就不再需要工程智慧了。在电荷耦合器件存储器中，所有的元件都排列紧密，它们之间不会有浪费的空间。因此，摩尔再次预测，随着晶体管变得越来越小，集成芯片变得越来越大，集成芯片上的元件数量翻一番所需的时间将越来越少。1965年，他预测这一数字将每两年翻一番，但现在他已将这一比率修正为每年翻一番。

具有讽刺意味的是，由于CCD内存被证明容易出错，英特尔根本没有发布该产品。然而，摩尔的预测在逻辑芯片和微处理器的发展中得到了证实。自20世纪70年代初以来，这些芯片一直在以每两年一倍的速度发展。然而，大规模包含相同晶体管的存储芯片正在以更快的速度发展，已经达到每18个月将其组件翻倍的速度。这种增长主要是由于其更简单的设计过程。

在影响摩尔定律实现的三个要素中，有一个要素需要特殊处理，那就是缩小晶体管的尺寸。至少在可见的一段时间内，有必要缩小晶体管的尺寸，在这个问题上没有权衡。根据IBM工程师Robert Dennard提出的标度律，随着芯片上晶体管数量的增加，功率密度必须保持不变。新一代晶体管一直在进步。缩小尺寸的晶体管不仅可以在集成电路中包含更多的元件，还可以使晶体管本身工作更快，消耗更少的能量。

晶体管的大小直接影响摩尔定律能否继续发挥作用。在不断发展的过程中，对晶体管产生了不同的处理方法。在我们成为摩尔定律1.0的初期，如果想要提升集成芯片的性能，通常需要依靠“扩容”——，也就是在芯片上增加更多的电子元器件。起初，只要将包含电子元件的各种应用可靠且廉价地封装起来，实现这个目标似乎很简单。然而，由于这种做法，集成芯片变得更大、更复杂。20世纪70年代初，为了解决这个问题，微处理器诞生了。

然而，在过去的几十年里，半导体行业的巨大进步主要是由摩尔定律2.0推动的。这个阶段叫做“缩小”，也就是说在集成芯片所包含的晶体管数量不变的情况下，缩小晶体管的尺寸，降低制造成本。

虽然摩尔定律1.0和摩尔定律2.0在时间上不谋而合，但在半导体行业的发展过程中可以看到，“萎缩”相对于“扩张”逐渐占据主导地位。从20世纪80年代到90年代初，半导体技术发展到一个关键的“节点”，我们称之为“RAM时代”。1989年出现了4M 优艾设计网_设计百科DRAM，1992年也出现了16mb DRAM。每一次进化都意味着集成芯片的工作能力变得更强，因为越来越多的晶体管可以包含在单个芯片中，而不会增加成本。

20世纪90年代初，我们开始更多地依靠“缩小”来创新晶体管。选择这条发展道路是很自然的，因为大多数芯片不再需要包含尽可能多的晶体管。此时，集成电路已经广泛应用于汽车、电子设备甚至玩具中。正因为如此，为了提高集成电路的性能，降低制造成本，如何减小晶体管的尺寸成为一个关键问题。

最终，即使技术允许，微处理器的规模也不会像以前那样扩大。虽然目前的制造技术已经能够在逻辑芯片上放置100亿个晶体管，但实际上很少有集成芯片能够达到这个数值。这在很大程度上是因为集成芯片的设计跟不上。

摩尔定律1.0仍然被用于图形处理器、现场可编程设备和少数超级计算机的微处理器，但摩尔定律2.0已经占据了主导地位。但今天，这条法律仍在改变。

改变正在发生

这种变化已经开始了，因为晶体管小型化带来的好处正在逐渐减少。这种趋势出现在2000年左右，一个不愉快的现实逐渐出现。当时，晶体管的尺寸已经开始缩小到不足100纳米。根据丹尼德标度律，标度律已经达到极限。晶体管的尺寸变得如此之小，这使得电子设备即使在关闭时也会泄漏，这不仅导致电子设备的严重能耗，而且降低了其可靠性。尽管人们使用新材料和新工艺来解决这个问题，但工程师们不得不停止大幅减少每个晶体管，以保持集成芯片的性能。

因为缩放比例定律已经不再适用，是否要继续缩小晶体管尺寸就需要权衡了。让晶体管体积变得更小，不再意味着其运作效率有所提升。事实上，在今天想要像以往一样缩小晶体管同时让其保持相同的运作速度与功耗是十分困难的。

正因为如此，在近十年以来，摩尔定律更多关注的是成本问题而不是性能问题，别忘了，我们之所以要将晶体管变得更小还是为了让它更便宜。这并不是说如今的微处理器不如 5 年或者 10 年前产品的性能好。虽然针对集成芯片的设计工艺不断提升，但是性能方面的进步大部分还是源于更为廉价的晶体管所带来的多核集成。

集成芯片的成本问题越来越引人注目，这也是摩尔定律中重要且不被人注意的方面：随着晶体管越变越小，我们能够年复一年保持用硅晶片制成的每平方厘米的集成芯片成本不变。摩尔推算出制造 1 英亩（约 4046 平方米）大小的集成芯片大概要花费 10 亿美元，不过芯片制造商很少在计算成本时会用面积做为参考标准。

在近十年来，想要让硅晶片的成本保持不变开始变得困难。因为想要其价格保持不变，就需要有稳定的产量来支撑。在上世纪 70 年代硅晶片在集成芯片中的成本中只占 20% 左右，而如今已经提高到了 80%-90%。硅晶片是一种圆形的硅材料，可以被切割成芯片。大规模生产使得制造硅晶片所需的多个如掺杂和蚀刻这样的工序成本降低。更为重要的是，设备生产率大幅提升了。由于生产工具与生产工艺的提升，硅晶片在制造速度提高的同时其性能也得到了提升。

有三个因素决定了这一现实：不断提升的产量、更大的硅晶片以及不断提高的设备生产力。这一切使得芯片制造商在近十年来能够制造出电子元件分布密度越来越大的集成芯片，并且能够通过降低晶体管的价格来保持生产成本不变。不过时至今日，这个发展趋势也即将走到尽头，因为蚀刻工艺变得越来越昂贵。

在过去的十年中，针对硅晶片的光刻工艺变得越来越复杂，这使得硅晶片的制造成本不断提升，其成本增加速度大约是每年提高 10%。不过因为与此同时晶体管的体积每年约缩小 25%，针对每个晶体管来看其成本是降低了，但是在同一时间中总体制造成本的增长速度超过了晶体管的成本降低速度。因此，下一代的晶体管将比过去的更贵。

如果光刻成本继续快速增长，我们所熟知的摩尔定律将很快走到终点。现在已经出现了一些这样的迹象。在今天先进的芯片通常使用了沉浸式光刻技术，浸入式技术利用长波紫外线光通过液体介质后光源波长缩短来提高分辨率。人们想要使用短波紫外线来对该技术进行改造，当时预计该技术可以在 2004 年投入使用，但是实际上其进入实际运用的时间一直被推迟。这就使得芯片制造商不得不转而继续研发能够提高性能的双重图形模式，然而相比单一图形模它所耗费的制作时间也增加了 1 倍。芯片制造商还在试图开发出三重或者四重图形模式，这当然会进一步提高生产成本。几年后当我们回顾 2015 年，将发现可能正是从这一年开始，晶体管的制作成本不再持续下降，而是不断攀升。

关于摩尔定律的未来

回顾了摩尔定律五十年来的发展，展望未来，半导体行业的创新还将持续，不过这种创新很可能并不是系统性地降低晶体管的成本，而是在集成方面取得新进展：在一个多带带芯片上集合各种不同的功能以降低系统成本。这听上去很像是摩尔定律 1.0 的时代的逻辑，但是在这种情况下我们并不是仅仅将不同逻辑的芯片集合在一起成为一块更大的芯片，而是将在历史上一直独立于硅片之外的非逻辑功能加入其中。

在这方面的早期尝试就是现代手机中的摄像头功能，它通过硅穿孔将一个图像传感器直接集合到数字信号处理器上。在这之后还会出现更多此类例子。集成芯片的设计者们已经开始探索如何对于微机电系统进行集成，这种技术一旦实现将可以制造出微型加速计、陀螺仪乃至继电器逻辑。这同样适用于制造可以进行生物测定与环境测试的微流体传感器。

所有这些技术都将使用户能够直接通过数字 CMOS 来连接外部，模拟这个世界。如果这种新的传感器和制动器能够以较低成本大规模生产，将会带来巨大的经济效益。

这个被称作摩尔定律 3.0 的阶段以及半导体产业的其他创新发展可能会产生「超越摩尔」的效果，但是可能并不经济实惠。将非标准化电子元件集成到一个芯片之中可能会带来许多令人兴奋的结果，比如创造新产品或者是增加新的功能。但是这种发展并不是有规律可循的，我们无法对其成功的路线图进行预测。

由此看开，电子产业的前进道路将会更加扑朔迷离。在今天为一个芯片添加一个新功能可能会为公司带来经济收益，但是谁也不能保证在明天为芯片添加另一个功能还能带来更多的回报。毋庸置疑，对于许多半导体行业现有的公司来说这种转变过程会是十分痛苦的，胜负结果到现在还不能下定论。

不过我仍然认为摩尔定律 3.0 是这个时代中最让人激动的定律。一旦我们得到像过去一样容易量化的指标，我们将看到富有创造力的应用程序爆炸性地增长：仿生操作将于身体无缝对接，手机可以检测空气质量与水体质量，微型传感器将能从周边环境获取能量自给自足，还有很多我们想象不到的应用将会出现在生活中。摩尔定律也许会逐渐退出历史舞台，但是它的遗产将会在很长时间里面继续推动我们向前发展。