摩爾定律的來(lái)歷

工作在半導(dǎo)體行業(yè)的人，可說(shuō)無(wú)人不知摩爾定律(Moore's Law)。筆者在手頭一本詞典中對(duì)摩爾定律的解釋大致是：Inte1公司的創(chuàng)辦人之一戈登.摩爾(G.Moore)在l965年所作的觀察發(fā)現(xiàn)，說(shuō)集成電路上的元器件數(shù)量將會(huì)以每18個(gè)月翻一番的速度穩(wěn)定增長(zhǎng)。并說(shuō)這個(gè)預(yù)言因IC的發(fā)展而得到證明被譽(yù)為“IT業(yè)第一定律”，后來(lái)，這一定律還經(jīng)常被用來(lái)形容其它高技術(shù)超常的發(fā)展速度。

集成電路是1958～l959年間發(fā)明的，到l965年身任仙童(Fairchild)半導(dǎo)體公司研究開(kāi)發(fā)室主任的摩爾提出所謂摩爾定律時(shí)不過(guò)六七年的時(shí)間，當(dāng)時(shí)集成度僅只30個(gè)元器件，世界半導(dǎo)體市場(chǎng)也不過(guò)15億美元。摩爾定律僅是短短幾年內(nèi)摩爾對(duì)集成電路生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和觀察的成果，它不是嚴(yán)密科學(xué)的數(shù)學(xué)公式或物理定律，只是一個(gè)大概的發(fā)展速度推算，也可說(shuō)是一種信念。

每18個(gè)月翻一番這是最常見(jiàn)的版本，但據(jù)國(guó)外媒體在2005年紀(jì)念摩爾定律40周年的撰文中說(shuō)，1965年4月摩爾應(yīng)邀為慶?！禘1ectronics》雜志誕生35周年而發(fā)表了題為“Cramming more components on integrated circuits”的文章，對(duì)1965～1975年未來(lái)10年間的集成電路作了展望，在這里摩爾所表達(dá)的時(shí)間長(zhǎng)度為“每年翻一番”，同時(shí)摩爾在這篇文章中指出，“1975年后兩年翻一番”，因此這里并沒(méi)有提及“18個(gè)月翻一番”的說(shuō)法。

倒是同在Intel公司工作的Dave House曾提出，計(jì)算機(jī)的效率大約每18個(gè)月翻一番，摩爾也認(rèn)為“18個(gè)月翻番”的提法應(yīng)歸功于他。那今天通用關(guān)于摩爾定律18個(gè)月翻番的提法不知是否即由此而來(lái)?

摩爾定律首先用于描述集成電路上晶體管數(shù)量的增長(zhǎng)，但后來(lái)又被應(yīng)用到芯片時(shí)鐘速度及性能等其它快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域。摩爾當(dāng)時(shí)也并未看得很遠(yuǎn)，但令人驚奇的是，40多年來(lái)世界半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展的實(shí)踐證明，大體上是符合摩爾提出的發(fā)展趨勢(shì)的，相當(dāng)準(zhǔn)確。

因此，我們對(duì)摩爾的智慧、感悟和謙誠(chéng)充滿了敬佩之情。

摩爾其人

1955年晶體管發(fā)明人肖克利(W.B.Shock1ey)創(chuàng)立了半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室(公司)，集成電路發(fā)明人之一諾伊斯(R.Noyce)和1954年畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)專(zhuān)業(yè)的摩爾一起投奔了肖克利，但肖克利辦公司仍用實(shí)驗(yàn)室的一套管理模式，公司很不成功。

因而后被肖克利稱(chēng)為“8個(gè)叛徒”(包括上述2人)的8個(gè)人，于1957年出走另創(chuàng)仙童半導(dǎo)體公司，1963年摩爾介紹格魯夫(A.Grove)進(jìn)入仙童公司。諾伊斯和摩爾二人在仙童公司工作了11年，但是對(duì)新公司的管理還不稱(chēng)心，遂于1968年二人帶著第一個(gè)員工格魯夫共3人又成立了一家新公司，采用了Integrated Electronics(集成電子)頭幾個(gè)字母，取名Intel(英特爾)公司。

新公司在3位科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)下(大體上分工是諾伊斯做公關(guān)，摩爾管財(cái)務(wù)，格魯夫具體管理)，堅(jiān)守摩爾定律，把公司發(fā)展成了世界第一大半導(dǎo)體公司。雖然科學(xué)家創(chuàng)辦公司失敗的例子居多，而Inte1卻在3位科學(xué)家“三駕馬車(chē)”式的領(lǐng)導(dǎo)下(格魯夫出版了名著《高產(chǎn)出管理》一書(shū))——他們既有科學(xué)家的資質(zhì)，又有企業(yè)家的才干，取得了無(wú)比輝煌的業(yè)績(jī)，十分難能可貴，至今仍是高技術(shù)業(yè)界經(jīng)營(yíng)管理的典范，共同學(xué)習(xí)的榜樣。

摩爾定律的發(fā)展

自從出現(xiàn)摩爾定律以后，Intel公司至今一直力挺這條定律，其余半導(dǎo)體廠商也大多以摩爾定律作為公司發(fā)展目標(biāo)， 40多年來(lái)世界半導(dǎo)體業(yè)無(wú)論技術(shù)、經(jīng)濟(jì)或產(chǎn)品的發(fā)展都十分迅速。據(jù)報(bào)道，Intel公司1971年推出的4004處理器上僅集成了2300個(gè)晶體官，而到2004年推出的Itanium2處理器共集成5.92億個(gè)晶體管，33年的年均增長(zhǎng)率為46%(見(jiàn)表l)。

從DRAM的存儲(chǔ)容量來(lái)看，1970年為4kb，2005年達(dá)到32Gb，35年的年均增長(zhǎng)率為57%(見(jiàn)表2)。

如果從起始年再往前推幾年，那增長(zhǎng)速度還會(huì)進(jìn)一步提高。當(dāng)然，比較典型的代表是半導(dǎo)體工藝線寬，1970年為10mm，經(jīng)過(guò)40年到2010年進(jìn)步到50nm，縮小了200多倍，在2000年前大約每3年革新一代。1970年世界半導(dǎo)體市場(chǎng)約為40億美元，經(jīng)過(guò)30年到2000年達(dá)到2000億美元，年均增長(zhǎng)率14%。

摩爾定律何時(shí)告終?

世界萬(wàn)物有始必有終，摩爾定律總有失效的時(shí)候。

摩爾本人也坦承：“Something like this can’t continue for ever.”他在2005年紀(jì)念摩爾定律40周年時(shí)曾說(shuō)，再過(guò)40年后的情況不可想象，但他預(yù)想摩爾定律還可存在10年或者20年。

據(jù)有關(guān)媒體報(bào)道，按集成電路的集成度計(jì)算，1965～1970年間晶體管數(shù)量是每年翻一番，1970～2003年間為1.5～2年翻一番，2003～2009年間2年翻一番，往后將是3年翻一番。工藝尺寸2000年前每3年更新一代，但此后從0.1mm開(kāi)始變革速度也在放慢。世界半導(dǎo)體市場(chǎng)從1960～1995年的年均增長(zhǎng)率高達(dá)17%左右，往后將降至個(gè)位數(shù)，有預(yù)測(cè)約為6%。一般認(rèn)為，現(xiàn)在已經(jīng)由技術(shù)推動(dòng)需求演變?yōu)樾枨鬆恳夹g(shù)，例如蘋(píng)果公司相繼成功推出的iPod、iPhone和iPad最具需求牽引技術(shù)的代表性。

去年iSupp1i市場(chǎng)調(diào)研公司發(fā)表了一篇報(bào)告聲稱(chēng)，作為半導(dǎo)體發(fā)展路標(biāo)的摩爾定律即將于2014年失效，引起了很大反響，議論頗多。摩爾定律已經(jīng)成功運(yùn)行了40多年，業(yè)界奉為圭臬，主要成功因素之一是加工工藝的不斷進(jìn)步。事實(shí)上，在工藝發(fā)展過(guò)程中摩爾定律遇到過(guò)的所謂極限挑戰(zhàn)已有3次：1985年后的1mm、90年代后的深亞微米以及進(jìn)入21世紀(jì)后的0.1mm，但都被一一逾越，闖關(guān)前進(jìn)。這次iSuppli公司提出的極限挑戰(zhàn)是18nm往后。所舉首要原因是制造設(shè)備的成本過(guò)高，在產(chǎn)品大量生產(chǎn)周期內(nèi)根本無(wú)法補(bǔ)償。費(fèi)用之巨大如圖1所示，廠商何堪負(fù)擔(dān)?斷言摩爾定律將僅歸于實(shí)驗(yàn)室，不再適于半導(dǎo)體生產(chǎn)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行(見(jiàn)表3)。[!--empirenews.page--]

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每一代工藝技術(shù)(節(jié)點(diǎn))的(世界)營(yíng)收，由于新一代技術(shù)會(huì)帶來(lái)更殷切的需求，故而在達(dá)到頂點(diǎn)后往往迅速下降。圖1告訴我們，90nm那一代的營(yíng)收于2007年登頂后迅即下滑，但65nm代便長(zhǎng)得多了，這是因?yàn)閺S商企圖盡量利用既有技術(shù)以獲得更多的利益，表明工藝進(jìn)步正由技術(shù)驅(qū)動(dòng)改變?yōu)榻?jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)，工藝進(jìn)步隨之趨緩。

持此看法的不僅有iSupp1i公司，IBM一位資深專(zhuān)家Car1 Anderson在美國(guó)舉行的國(guó)際物理設(shè)計(jì)大會(huì)上也表示，今天摩爾定律已失去了前進(jìn)動(dòng)力，行將接近時(shí)代終點(diǎn)。他說(shuō)，每門(mén)工業(yè)都有自己的飛躍成長(zhǎng)時(shí)期，鐵路在19世紀(jì)，汽車(chē)在20世紀(jì)30～40年代，飛機(jī)在超音速以前，這種躍進(jìn)速度總有一天會(huì)走到盡頭。半導(dǎo)體工業(yè)也不例外，今后也就只有極少數(shù)大型公司為發(fā)展新一代技術(shù)或能承受得起如此巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

贊同摩爾定律失效之說(shuō)的日益增多，今天客戶并不關(guān)心使用的是哪一代新技術(shù)，而只要求為他存在的問(wèn)題提供解決方案。例如，產(chǎn)品性能要好，成本要低，功耗要小，特別要求能夠搶先上市，而對(duì)摩爾定律失效與否與他無(wú)關(guān)。

也有人提出，半導(dǎo)體大廠有可能做到不斷提供更快、更多、更小、更好的處理器，Inte1的單核處理器Pentium4要不遇到發(fā)熱問(wèn)題還會(huì)發(fā)展，遇阻之后才改而提供多核處理器，Intel的i7和AMD的Phenom11性能都特強(qiáng)，可價(jià)格高昂，用戶卻步，那么快的速度，用來(lái)干什么? 實(shí)際當(dāng)今的音視頻效果已超過(guò)了人們感官的極限，處理器能力已遠(yuǎn)超網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，幾千萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)有多大用處? 就說(shuō)手機(jī)吧，中外許多人都還用著2G手機(jī)。為什么? 3G還用不著。

展望

摩爾定律曾迅速有力地推動(dòng)了世界半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，這是不爭(zhēng)的事實(shí)。人們對(duì)摩爾定律懷有深厚的感情，但摩爾定律發(fā)現(xiàn)至今已有45年，是否會(huì)繼續(xù)存在下去? Intel公司看來(lái)是力挺的，自45nm技術(shù)進(jìn)入大量生產(chǎn)后，22nm技術(shù)也已成功開(kāi)發(fā)，在指甲大小的SRAM上集成了29億個(gè)晶體管。

世界首位半導(dǎo)體代工企業(yè)——臺(tái)積電則將從28nm跳過(guò)22nm，直接進(jìn)入20nm技術(shù)，爭(zhēng)取成為公司未來(lái)主流技術(shù)。無(wú)可否認(rèn)，單從技術(shù)角度講應(yīng)該是有可能繼續(xù)突破的，面臨的困難主要在經(jīng)濟(jì)上和有無(wú)實(shí)用的價(jià)值。

另一方面，我們看到不僅“摩爾定律失效”之論甚囂塵上，且不少公司提出了“后摩爾定律”、“新摩爾定律”等等概念，建議不再追求更高效能的單芯片，而是“從更快轉(zhuǎn)向更好”，向多元化和實(shí)用化發(fā)展，走向創(chuàng)新。

據(jù)此觀察，未來(lái)的技術(shù)發(fā)展，首先應(yīng)是多核處理器，人們?cè)诠ぷ髡旧厢娪枚嗪颂幚砥饕越鉀Q性能和功耗問(wèn)題已經(jīng)有年，且多核處理器發(fā)展很快，今年更是多核SoC發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。其次是3D(三維)IC，美國(guó)SEMATECH(半導(dǎo)體制造技術(shù)科研聯(lián)合體)日前強(qiáng)調(diào)，3D IC是世界半導(dǎo)體業(yè)繼續(xù)擴(kuò)張、提高產(chǎn)品集成度必不可少的新技術(shù)，它除了具有高性能、高密度等特性外，還可望達(dá)到低成本和小型化。此外，還有開(kāi)發(fā)光互連、配置加速器的處理器和利用新半導(dǎo)體材料，等等。

總之，審時(shí)度勢(shì)，正確對(duì)待摩爾定律，采取堅(jiān)決有力的措施，才能更好、更有利地發(fā)展我們的半導(dǎo)體事業(yè)!