跟随摩尔定律的发展了解半导体的发展历程

如果将摩尔定律比为一个人，到今年他已经是个50岁的中年人了。在这五十年中电子产业遵循着摩尔定律获得了巨大的进步，然而在今天人们也会想知道摩尔定律是否已经过时，它还能不能适应时代继续对于未来电子产业发展起到指导作用。在本文的上篇中我们将回到上世纪60年代，看看摩尔是在什么样的时代背景与实践中提出了摩尔定律，发现摩尔定律中不被重视的另一面。

半个世纪前，一个名叫戈登摩尔的年轻工程师仔细观察了他所处的新兴行业，并且对于接下来十年中在这一行业里会发生的各项大事件做出了自己的预测。这篇长达 4 页的预测文章被刊登在 Electronics 杂志上，这位年轻工程师预测在未来会出现家用计算机、移动电话以及拥有自动驾驶系统的汽车。他在文章中预测集成芯片上可容纳的电子元件数量将每年稳定地增加一倍，这会使得集成芯片越来越经济实惠，而这也就是驱使他笔下那些奇思妙想的技术化为现实的动力。

在文章发表十年之后，这一描述集成芯片上电子元件指数式增长的「摩尔定律」并没有停止下来的迹象。时至今日，摩尔定律在近五十年来的科技高速发展进程中贯穿始终，遵循着摩尔定律的现代科技为人们的生活带来了计算机、个人电子设备以及传感器。摩尔定律对于现代化生活的影响是难以估量的，如果没有集成芯片的不断发展，我们坐不了飞机，打不了电话，甚至连洗碗机都用不了，更别提发现希格斯波色子与创造互联网了。

但是说到底，摩尔定律究竟是如何影响了我们的生活，它为什么能够取得这样的成就？摩尔说明了技术进步是毋庸置疑且势不可挡的，还是它仅仅反应了在一个特殊时期中的技术发展状况？时至今日，我们还能用摩尔定律来解释最近十几年计算机方面的技术进步与创新进展吗？

在我看来，摩尔定律的地位是毋庸置疑的。摩尔定律是时代的证明，它代表了人类的辛勤工作、聪明才智以及来自自由市场的激励。摩尔的预言在起初只是对于一个新兴产业的简单观察总结，但是随着时间的推移，它已经成为了一种自我实现的预期。摩尔定律的实现是由千千万万创新公司与工程师们持续创造的结果，他们能够从摩尔定律中看出行业发展的潜力，并且竭尽全力去保持技术上的领先地位，否则就会冒着落后于竞争对手的风险。

不过我也想说，尽管摩尔定律被无休止地套用在解释各类技术进步上，但是它并不仅仅是一个简单的概念。摩尔定律的含义在这几十年的发展中经过了反反复复的改变，直到今天它依然在不断变化。如果我们想要从摩尔定律中领悟技术进步的本质以及从中预测未来的发展，那就还需要进行深入地了解与观察。


在上个世纪 60 年代，当时硅谷还没有名满天下，年轻的戈登摩尔在仙童半导体公司担任研发主管。在从肖克利半导体实验室出走之后，他与别人一起在 1957 年成立了这家公司。在这家公司中，他们一起完成了硅晶体管的早期研发工作。

仙童公司是当时为数不多的针对硅晶体管进行开发的公司，晶体管是一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流，并可用于计算和储存数据。仙童公司很快就从中发现了利基市场。

在当时，大多数的电路是由单个晶体管、电阻、电容以及二极管连接组成，它们被手动组装在一块电路板上。而在 1959 年，仙童公司的赫尔尼发明了平面晶体管，取代了之前的台面晶体管。

有了这种平面晶体管，工程师就可以将多个晶体管布线互联在一起，安装在在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，制作出一种被称为「集成电路」的东西。德州仪器的杰克基尔比是集成电路方面的先驱者，他首先想到了电阻器和电容器 （无源元件） 可以用与晶体管 （有源器件） 相同的材料制造。摩尔的同事罗伯特？诺伊斯则用实践显示了平面晶体管可以被用来制造集成电路， 通过给晶体管覆盖一层绝缘的氧化物涂层， 然后添加铝线去连接不同的晶体管就可以实现。仙童公司将这种新的制造工艺投入到了首个硅集成电路的制作中，这种硅集成电路于 1961 年面世，刚刚开始只包含了 4 个晶体管。到了 1965 年，该公司已经能够制作出包含了 64 个电子元件的集成电路了。

有了这些前期知识的积累，摩尔在 1965 年发表的一篇论文中做出了大胆的结论：集成电路代表了电子产业未来发展方向。这声明在今天看来当然是不言自明的，但是在当时那个年代却引起了争议。很多人都质疑摩尔的观点，认为集成电路不过是电子产业中的一个小小分支。

这些质疑是可以被谅解的，因为在当时集成电路的工艺比其他手工电路板产品复杂得多，而且也贵得多——从今天的计算角度来看，在当时集成电路的成本高达 30 美元，而单个组件的成本不到 10 美元。在那个年代，生产集成电路的公司屈指可数，而他们真正的顾客也只有美国航空航天局以及美国军方。

不过让问题更加复杂的是当时的晶体管并不可靠。据摩尔回忆，在当时单个晶体管大约只能发挥出 10%-20% 的功效。当你将多个晶体管集成在同一块电路板上，虽然期望它能够发挥出最大的功效，但其实效果并不尽如人意。之所以会出现这种状况，是因为这种操作逻辑是有缺陷的。虽然有 8 个晶体管被集成在同一块电路板上，实际上它们并不能发挥出整体的效果，其工作效果还是等同 8 个独立的晶体管。这是由于每个晶体管发生故障的概率是独立的，且这种故障是随机出现的，比如飞溅的油漆就能让晶体管失效。如果两个相邻的晶体管中有一个发生了故障，那这两个晶体管就会同时罢工。因此也就是说当把两个晶体管连接在一起时，就要冒着一损俱损的风险。

虽然面临种种困难，摩尔仍然坚信集成电路总有一天会被证明是一种经济实惠的选择。在他 1965 年发表的论文中，摩尔为了证明集成电路将拥有光明的未来，将仙童公司的第一代平面晶体管以及后续生产的一系列集成电路作为参照，构建了一个对数模型。在该模型中，他发现随着时间发展，每年集成电路上的元件数量就会增加一倍。
通过在模型中加上一条小小的趋势线，摩尔做出了一个大胆的推断：这种增长趋势将持续 10 年。到了 1975 年，他又预测人们将亲眼目睹集成电路上的元件数量从 64 增长到 65000。这个预测已经相当接近现实。在 1975 年时，英特尔公司准备生产的电荷耦合（CCD）内存芯片上就已经包含了 32000 个元件，只要经过一年的发展，其结果就会与摩尔的预测相当接近。而这家英特尔公司正是在 1968 年摩尔与诺伊斯、葛罗夫脱离了仙童公司后成立的。

摩尔定律被忽视的内容

当我们回顾摩尔这篇重要的论文时，会从中发现一些被人忽视的细节。首先，摩尔的预测针对的是集成电路上的电子元件数量，而不不仅仅是晶体管，电子元件中还包括了电阻、电容和二极管。在发展初期，集成电路中的电阻比晶体管还多。而后来当金属氧化物半导体场效应晶体管出现之后，集成电路上晶体管之外的电子元件所需越来越少，这也就意味着数字时代开始了。晶体管在集成电路中起到了主导作用，而对于集成电路复杂性的衡量则主要依据它所包含的晶体管数量。


这篇文章还揭示了摩尔对于集成电路所带来的经济效益的关注。在摩尔定律中所说的电子元件的数量，并不是指芯片上所包含的最大元件数量或者平均数量，而是指每个元件的成本都能达到最小时集成芯片上可以包含的元件数量。摩尔内心明白，在一个集成电路上所能够放置的元件数量并不是越多越好，多并不一定代表着就是经济实惠的选择。在每一代芯片制造技术发展过程中，集成电路中的元件数量都有着符合当时实际情况的最佳平衡点。随着你往集成电路上添加越来越多的元件，分摊到每一个元件上面的成本是降低了，但是一旦这个数量超过了特定值，试图往集成电路中添加更多的晶体管就会使得缺陷出现的可能性增加，并降低了可用芯片的收益。只要超过了这个特定值上，每个元件的成本就会开始增加。发展到今天，集成电路设计与制造的目标仍然是将其电子元件控制在最佳平衡点上。

事实上，我并不认为摩尔定律在今天已经不能预测现实了，我认为摩尔定律再次处于一个变革的边缘。

芯片制造技术已经取得了长足的进步，最佳平衡点也随之不断提升，集成电路上的元件数量越来越多的同时其制造成本也在降低。在过去的 50 年中，晶体管的制造成本已经从 30 美元下降到了今天几乎不要钱的地步。我想即使是摩尔本人，可能也没有预见到晶体管的成本会有到如此巨大的变化。但是在 1965 年时，他就已经认识到集成电路不会一直这么价格高昂，会有高性能且廉价的组件对于现有的元件进行替代，集成电路的发展趋势是成为性能好、价格低的产品。

我们回顾了上世纪60年代摩尔定律被提出的时代背景与半导体行业的发展实践，在下篇中我们将认识影响摩尔定律的三大要素，了解摩尔定律1.0的「扩容」与摩尔定律2.0的「缩减」都是怎么回事。在经过五十年的发展后，摩尔定律今天已经进入3.0时代，也许在不久的将来它会推出历史的舞台，但是它留下来的光辉遗产将会一直影响半导体行业的发展。
在摩尔定律被提出十年之后的 1975 年，戈登摩尔重新审视了此前他做出的预测，并且做出了修正。在 1975 年的 IEEE 国际电子设备大会上，摩尔对于此处修正过后的定律做出了解释，其切入点就是解答集成芯片上的元件是如何实现翻倍这一存在于人们心中的疑惑。摩尔指出有三个因素导致了这一趋势：不断缩小的元件体积，不断增长的芯片面积以及「工程智慧」，也就是说工程师们可以减少集成芯片上晶体管之间无用的空间。

摩尔认为之所以摩尔定律能够不断被实践所证明，有一半要归功于前两种要素，其他则全是「工程智慧」的功劳。但是摩尔表示一旦英特尔公司所生产的 CCD 内存投入市场之后，工程智慧可能就不再那么需要了。在 CCD 内存中，所有的元件排列的非常紧密，它们之中将不再会存在被浪费的空间。因此摩尔再次预测随着晶体管越来越小，集成芯片越来越大，集成芯片上的元件数量翻倍增长所用的时间将会越来越少。在 1965 年时他曾预测这个数量会每两年增长一倍，现在他将这个速度修正到了每年增长一倍。

不过具有讽刺意味的是，由于 CCD 内存被证明很容易出错，所以英特尔公司根本就没有发行该产品。但是摩尔的预测却在逻辑芯片、微处理器的发展中得到了证实，从上世纪七十年代初期开始，这些芯片就已经按照了每两年所包含元件翻一番的速度在发展。而包含了大规模相同晶体管的内存芯片其发展速度就更快了，已经达到了每隔十八个月其包含元件就翻一番的速度，达到这一增长速度大部分要归于其设计工艺更为简单。

在影响摩尔定律实现的三个要素中，有一个要素是需要特殊对待的，那就是缩小晶体管的尺寸。至少在可见的一段时间范围内，缩小晶体管的尺寸是必须为之的，在这个问题上不存在权衡问题。根据 IBM 工程师 Robert Dennard 提出的缩放比例定律（译者注：缩放比例定律，随着芯片上晶体管数量的增加，功率密度必须保持不变），新一代的晶体管总是在不断进步。尺寸缩减的晶体管不仅仅是的集成电路可以包含更多的元件，同时也让晶体管本身工作的更快、耗能更少。


晶体管的尺寸问题直接影响到了摩尔定律是否能持续发挥作用，在不断发展的过程中，针对晶体管产生了截然不同的处理方法。在被我们成为摩尔定律 1.0 的早期阶段中，集成芯片的性能想要有所提升，通常需要依靠「扩容」——也就是在芯片上添加更多的电子元件。起初，想要实现这一目标看上去比较简单，只要将包含了电子元件的各类应用程序进行可靠且廉价的打包起来就行。但是这种做法的结果是使得集成芯片变得越来越大，也越来越复杂。在上世纪 70 年代初期，为了解决这一问题，微处理器诞生了。

不过在过去的几十年中，半导体行业的长足进步主要是由摩尔定律 2.0 推动的。这个阶段被人们称作「缩减」，也就是说在集成芯片上所包含的晶体管数量不变的情况下，缩小晶体管的尺寸并且降低其制作成本。

虽然摩尔定律 1.0 时代与 2.0 时代在时间上有所重合，但是在半导体产业的发展过程中可以看出「缩减」相比「扩容」是逐渐占据了主导地位。在上世纪 80 年代到 90 年代初期，半导体技术就发展到了一个关键「节点」上，我们将这一发展时期称为「RAM 时代」，在 1989 年出现了 4M DRAM，而到了 1992 年 16-MB DRAM 也出现了。每一次进化都意味着集成芯片的工作能力变得更强大，因为在不增加成本的情况下单个芯片中所能包含的晶体管变得越来越多。

在上世纪 90 年代初期，我们开始更多地依靠「缩减」来革新晶体管。选择这条发展道路是很自然而然的，因为大多数的芯片不再需要尽可能多地包含晶体管。集成电路在此时已经开始被大规模地运用于汽车、电子设备甚至是玩具之中，正因为如此，为了提高集成电路的性能并且降低制作成本，如何减小晶体管的尺寸已经成为了关键问题。
最终，即使技术允许，微处理器的体积也不再像之前一样不断扩大。虽然现在的制造技术已经能够实现在逻辑芯片上安放 100 亿个晶体管，但是在实践之中很少有集成芯片会达到这一数值。这在很大程度上来说，是因为集成芯片的设计已经跟不上了。

摩尔定律 1.0 至今仍然运用在图形处理器、现场可编程器件以及针对少数超级计算机的微处理器中，但是除此之外，摩尔定律 2.0 已经占据了统治地位。不过时至今日，这个定律继续在发生变化。

改变正在发生

这种改变其实已经开始了，因为晶体管小型化所带来的好处正逐步减少。这个趋势出现在 2000 年左右，在那时一种令人并不愉快的现实逐步显现出来。在当时，晶体管的尺寸已经开始缩小到 100 纳米以下，根据 Dennard 此前提出的缩放比例定律，缩减法则已经达到了极限。晶体管的体积变得如此微小，这使得电子设备即使在关闭时也会漏电，这不仅让电子设备耗能严重，也降低其可靠性。虽然人们使用新材料和新的工艺方法来解决该问题，但是工程师们为了保持集成芯片的性能，还是不得不停止了大幅度降低每个晶体管电压的做法。

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。


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：在一个单独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。