摩爾定律的前70年
集成電路發(fā)明之后的不久,美國(guó)人戈登·摩爾就提出了著名的摩爾定律。在1965年時(shí)摩爾曾這樣描述:“隨著芯片上電路的復(fù)雜度提高,元件數(shù)目必將增加,然而每個(gè)元件的成本卻每年下降一半”。
摩爾描繪的發(fā)展藍(lán)圖,果然在隨后的十年得到了映證:芯片上元器件的數(shù)量從1965年的2的6次方個(gè)增加到了1975年的2的16次方。而摩爾最初的假設(shè)也被1975年推出的一種包含了65,000個(gè)元器件的16K CCD所證實(shí)了。
按照摩爾1965年的描述,芯片上元件的數(shù)量每?jī)赡暝鲩L(zhǎng)一倍, Carve Mead首先將之稱為“摩爾定律”。后來(lái),此定律被修正為“每18個(gè)月增長(zhǎng)一倍”。
摩爾的預(yù)測(cè)看似非常簡(jiǎn)單,實(shí)則對(duì)于半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展的指導(dǎo)意義深遠(yuǎn)。對(duì)摩爾定律的解釋也是多種多樣,一些分析家預(yù)測(cè)摩爾定律終將失效——電路的復(fù)雜程度最終會(huì)達(dá)到極限。而本文將探討的范圍是摩爾定律的頭70年,即1960年至2030年。
有關(guān)定義
當(dāng)初摩爾并沒有給電路的“復(fù)雜程度”下一個(gè)準(zhǔn)確的定義,而人們將其大致理解為芯片上的元件數(shù)量。1975年那片驗(yàn)證了定律的16KCCD芯片,其每位CCD包含有4個(gè)元件。事實(shí)上隨著半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步,要實(shí)現(xiàn)同樣的功能,使用的元器件數(shù)量會(huì)越來(lái)越少。
以下曲線是芯片復(fù)雜度變化的年表。圖表顯示,在1960~1970年間,“復(fù)雜程度”的發(fā)展確實(shí)表現(xiàn)為元器件數(shù)目的增長(zhǎng)——正如摩爾最初描述的那樣。1970年以后,隨著DRAM及微處理器的發(fā)明,復(fù)雜程度便表現(xiàn)為DRAM的位數(shù)及微處理器中的晶體管數(shù)量。事實(shí)上,由于設(shè)備中集成了多種復(fù)雜電路,因此要使用單一的評(píng)價(jià)體系來(lái)判斷所謂“復(fù)雜成度”是非常困難的。
在1960~1970年間,“復(fù)雜程度”的發(fā)展確實(shí)表現(xiàn)為元器件數(shù)目的增長(zhǎng),而1970年以后,復(fù)雜程度便表現(xiàn)為DRAM的位數(shù)及微處理器中的晶體管數(shù)量。
歷史趨勢(shì)
在以上曲線的第一段,即1960~1975年間,基本上符合每12個(gè)月元器件成本下降一半的規(guī)律。而1970年以后,所謂的復(fù)雜程度逐步取決于DRAM的位數(shù)及微處理器中的晶體管數(shù)量,此時(shí)對(duì)于復(fù)雜度的含義便得到了如下的拓展:
● 第一代 DRAM的復(fù)雜度為每18個(gè)月增加一倍,時(shí)間從1970年直至2004年,預(yù)計(jì)可達(dá)4GbDRAM。
● 由Intel引入的第一代微處理器的復(fù)雜度為每24個(gè)月增加一倍,時(shí)間從1970年至少到2000年。
● 在1970年的開始階段,無(wú)論DRAM或是微處理器,其發(fā)展速率幾乎相同,之后才逐漸顯現(xiàn)區(qū)分,既按照DRAM為18個(gè)月、微處理器為24個(gè)月翻番的規(guī)律發(fā)展。
如果進(jìn)一步觀察曲線就會(huì)發(fā)現(xiàn)直至八十年代初以前,Intel的微處理器一直按每18個(gè)月增加一倍發(fā)展,而后才慢慢減緩至24個(gè)月。到了九十年代未期,微處理器的復(fù)雜度發(fā)展又開始加速,但總的來(lái)說(shuō)自1970年至2000年期間,微處理器的發(fā)展還是保持著每24個(gè)月翻倍的態(tài)勢(shì)。
復(fù)雜度定義的改變及DRAM和微處理器增加速率的不同,引發(fā)了半導(dǎo)體工業(yè)界究竟是18個(gè)月還是24個(gè)月發(fā)展翻倍的爭(zhēng)論。看來(lái)真正的答案只能按照不同的器件類別及時(shí)間段來(lái)分別解釋了。
當(dāng)前趨勢(shì)
半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)SIA在2001年版的ITRS中引用了每24個(gè)月翻倍的論點(diǎn),并將其一直延伸至2020年。
如果依照每24個(gè)月翻倍理論推算,那么到2020年時(shí)DRAM將達(dá)terabit級(jí),即100Gbit,而微處理器中晶體管數(shù)量將多達(dá)100億個(gè)。難怪有人就會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn):市場(chǎng)真的需要如此大容量的器件嗎?事實(shí)上,現(xiàn)在在高密度數(shù)字圖像處理領(lǐng)域或諸如天氣預(yù)報(bào)之類的大容量數(shù)據(jù)處理方面還是廣泛需要大容量的器件的。無(wú)論如何,半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展將繼續(xù)按照電路的復(fù)雜度提高、芯片尺寸縮小及芯片每位的成本下降的趨勢(shì)進(jìn)行下去。
半導(dǎo)體工業(yè)的未來(lái)
2004年以后,半導(dǎo)體工業(yè)無(wú)論從技術(shù)上或者是成本上的挑戰(zhàn)都越來(lái)越激烈,各種關(guān)鍵問(wèn)題綜合在一起,而且?guī)缀跻瑫r(shí)得到解決。如硅片尺寸的繼續(xù)擴(kuò)大;新材料、新工藝和新電路結(jié)構(gòu)的采用都使得工業(yè)制造難度顯著提高。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)以上的要求,固定資產(chǎn)的投入必然加大,這就導(dǎo)致電路成本急劇增加且工業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)程度明顯上升。現(xiàn)在的半導(dǎo)體設(shè)備工業(yè)也要從投資回報(bào)率的角度來(lái)考慮,跟隨ITRS的現(xiàn)實(shí)意義到底在哪里?
2003年版的ITRS表明,由2004年起半導(dǎo)體工業(yè)還是按36個(gè)月翻倍的趨勢(shì)。由此,DRAM也不可能再維持每18個(gè)月翻倍的態(tài)勢(shì)。實(shí)際上無(wú)論DRAM或是微處理器的發(fā)展都有可能繼續(xù)遵循30~36個(gè)月翻倍的規(guī)律,當(dāng)然技術(shù)和成本上都要克服許多難題。如果按30~36個(gè)月速度推算,要到2024~2029年才可能出現(xiàn)100Gb的DRAM。
另一大問(wèn)題是市場(chǎng)的需求。即市場(chǎng)是否需要如此大的DRAM以及它的性價(jià)比能否滿足市場(chǎng)的要求。事實(shí)上,DRAM的發(fā)展速度最終將由市場(chǎng)決定。
所謂的摩爾定律實(shí)際上并不是一個(gè)物理定律(定律是放之四海而皆準(zhǔn)),而是一種預(yù)言。它鞭策工業(yè)界不斷地改進(jìn),并努力去實(shí)現(xiàn)它。從根本上講摩爾定律是一種自我激勵(lì)的機(jī)制,它讓人們無(wú)法抗拒,并努力追趕。當(dāng)然,社會(huì)的實(shí)踐最終給摩爾定律打上了正確的標(biāo)簽。
歸根結(jié)底,近40年的實(shí)踐證明摩爾定律有利于工業(yè)的發(fā)展及人類的需求。直至今日,半導(dǎo)體工業(yè)還是按照DRAM每18個(gè)月、微處理器每24個(gè)月翻倍的規(guī)律發(fā)展著。
結(jié)論
摩爾定律象一盞明燈照亮了全球半導(dǎo)體工業(yè)的前進(jìn)的方向。對(duì)它人們己經(jīng)無(wú)法抗拒,只要半導(dǎo)體技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展還能滿足市場(chǎng)的需要,摩爾定律就將繼續(xù)生存下去,需要改變的無(wú)非是速度的減緩,由18個(gè)月,24個(gè)月到30個(gè)月,36個(gè)月甚至48個(gè)月……
至于半導(dǎo)體技術(shù)將會(huì)發(fā)展到22納米,16納米還是9納米,實(shí)際上己并不重要,定律終有盡頭,它也不可能無(wú)休止地下降成本。
相信當(dāng)人們還沒來(lái)得及爭(zhēng)論清楚到底是“多少納米”或是“多少個(gè)月”之前,半導(dǎo)體工業(yè)就會(huì)有另一種新的材料或新的電路結(jié)構(gòu)來(lái)替代目前的硅器件了。不過(guò),摩爾定律對(duì)于人類的巨大貢獻(xiàn)將永載史冊(cè)。