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我們回顧了上世紀60年代摩爾定律被提出的時代背景與半導體行業的發展實踐，在下篇中我們將認識影響摩爾定律的三大要素，了解摩爾定律1.0的「擴容」與摩爾定律2.0的「縮減」都是怎么回事。在經過五十年的發展后，摩爾定律今天已經進入3.0時代，也許在不久的將來它會推出歷史的舞臺，但是它留下來的光輝遺產將會一直影響半導體行業的發展。 在摩爾定律被提出十年之后的 1975 年，戈登摩爾重新審視了此前他做出的預測，并且做出了修正。在 1975 年的 IEEE 國際電子設備大會上，摩爾對于此處修正過后的定律做出了解釋，其切入點就是解答集成芯片上的元件是如何實現翻倍這一存在于人們心中的疑惑。摩爾指出有三個因素導致了這一趨勢：不斷縮小的元件體積，不斷增長的芯片面積以及「工程智慧」，也就是說工程師們可以減少集成芯片上晶體管之間無用的空間。 摩爾認為之所以摩爾定律能夠不斷被實踐所證明，有一半要歸功于前兩種要素，其他則全是「工程智慧」的功勞。但是摩爾表示一旦英特爾公司所生產的 CCD 內存投入市場之后，工程智慧可能就不再那么需要了。在 CCD 內存中，所有的元件排列的非常緊密，它們之中將不再會存在被浪費的空間。因此摩爾再次預測隨著晶體管越來越小，集成芯片越來越大，集成芯片上的元件數量翻倍增長所用的時間將會越來越少。在 1965 年時他曾預測這個數量會每兩年增長一倍，現在他將這個速度修正到了每年增長一倍。 不過具有諷刺意味的是，由于 CCD 內存被證明很容易出錯，所以英特爾公司根本就沒有發行該產品。但是摩爾的預測卻在邏輯芯片、微處理器的發展中得到了證實，從上世紀七十年代初期開始，這些芯片就已經按照了每兩年所包含元件翻一番的速度在發展。而包含了大規模相同晶體管的內存芯片其發展速度就更快了，已經達到了每隔十八個月其包含元件就翻一番的速度，達到這一增長速度大部分要歸于其設計工藝更為簡單。 在影響摩爾定律實現的三個要素中，有一個要素是需要特殊對待的，那就是縮小晶體管的尺寸。至少在可見的一段時間范圍內，縮小晶體管的尺寸是必須為之的，在這個問題上不存在權衡問題。根據 IBM 工程師 Robert Dennard 提出的縮放比例定律(譯者注：縮放比例定律，隨著芯片上晶體管數量的增加，功率密度必須保持不變)，新一代的晶體管總是在不斷進步。尺寸縮減的晶體管不僅僅是的集成電路可以包含更多的元件，同時也讓晶體管本身工作的更快、耗能更少。 晶體管的尺寸問題直接影響到了摩爾定律是否能持續發揮作用，在不斷發展的過程中，針對晶體管產生了截然不同的處理方法。在被我們成為摩爾定律 1.0 的早期階段中，集成芯片的性能想要有所提升，通常需要依靠「擴容」——也就是在芯片上添加更多的電子元件。起初，想要實現這一目標看上去比較簡單，只要將包含了電子元件的各類應用程序進行可靠且廉價的打包起來就行。但是這種做法的結果是使得集成芯片變得越來越大，也越來越復雜。在上世紀 70 年代初期，為了解決這一問題，微處理器誕生了。 不過在過去的幾十年中，半導體行業的長足進步主要是由摩爾定律 2.0 推動的。這個階段被人們稱作「縮減」，也就是說在集成芯片上所包含的晶體管數量不變的情況下，縮小晶體管的尺寸并且降低其制作成本。 雖然摩爾定律 1.0 時代與 2.0 時代在時間上有所重合，但是在半導體產業的發展過程中可以看出「縮減」相比「擴容」是逐漸占據了主導地位。在上世紀 80 年代到 90 年代初期，半導體技術就發展到了一個關鍵「節點」上，我們將這一發展時期稱為「RAM 時代」，在 1989 年出現了 4M DRAM，而到了 1992 年 16-MB DRAM 也出現了。每一次進化都意味著集成芯片的工作能力變得更強大，因為在不增加成本的情況下單個芯片中所能包含的晶體管變得越來越多。 在上世紀 90 年代初期，我們開始更多地依靠「縮減」來革新晶體管。選擇這條發展道路是很自然而然的，因為大多數的芯片不再需要盡可能多地包含晶體管。集成電路在此時已經開始被大規模地運用于汽車、電子設備甚至是玩具之中，正因為如此，為了提高集成電路的性能并且降低制作成本，如何減小晶體管的尺寸已經成為了關鍵問題。 最終，即使技術允許，微處理器的體積也不再像之前一樣不斷擴大。雖然現在的制造技術已經能夠實現在邏輯芯片上安放 100 億個晶體管，但是在實踐之中很少有集成芯片會達到這一數值。這在很大程度上來說，是因為集成芯片的設計已經跟不上了。 摩爾定律 1.0 至今仍然運用在圖形處理器、現場可編程器件以及針對少數超級計算機的微處理器中，但是除此之外，摩爾定律 2.0 已經占據了統治地位。不過時至今日，這個定律繼續在發生變化。 改變正在發生 這種改變其實已經開始了，因為晶體管小型化所帶來的好處正逐步減少。這個趨勢出現在 2000 年左右，在那時一種令人并不愉快的現實逐步顯現出來。在當時，晶體管的尺寸已經開始縮小到 100 納米以下，根據 Dennard 此前提出的縮放比例定律，縮減法則已經達到了極限。晶體管的體積變得如此微小，這使得電子設備即使在關閉時也會漏電，這不僅讓電子設備耗能嚴重，也降低其可靠性。雖然人們使用新材料和新的工藝方法來解決該問題，但是工程師們為了保持集成芯片的性能，還是不得不停止了大幅度降低每個晶體管電壓的做法。 因為縮放比例定律已經不再適用，是否要繼續縮小晶體管尺寸就需要權衡了。讓晶體管體積變得更小，不再意味著其運作效率有所提升。事實上，在今天想要像以往一樣縮小晶體管同時讓其保持相同的運作速度與功耗是十分困難的。 正因為如此，在近十年以來，摩爾定律更多關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 年前產品的性能好。雖然針對集成芯片的設計工藝不斷提升，但是性能方面的進步大部分還是源于更為廉價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：隨著晶體管越變越小，我們能夠年復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 10 億美元，不過芯片制造商很少在計算成本時會用面積做為參考標準。 在近十年來，想要讓硅晶片的成本保持不變開始變得困難。因為想要其價格保持不變，就需要有穩定的產量來支撐。在上世紀 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。大規模生產使得制造硅晶片所需的多個如摻雜和蝕刻這樣的工序成本降低。更為重要的是，設備生產率大幅提升了。由于生產工具與生產工藝的提升，硅晶片在制造速度提高的同時其性能也得到了提升。 有三個因素決定了這一現實：不斷提升的產量、更大的硅晶片以及不斷提高的設備生產力。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格來保持生產成本不變。不過時至今日，這個發展趨勢也即將走到盡頭，因為蝕刻工藝變得越來越昂貴。 在過去的十年中，針對硅晶片的光刻工藝變得越來越復雜，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%。不過因為與此同時晶體管的體積每年約縮小 25%，針對每個晶體管來看其成本是降低了，但是在同一時間中總體制造成本的增長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。 如果光刻成本繼續快速增長，我們所熟知的摩爾定律將很快走到終點。現在已經出現了一些這樣的跡象。在今天先進的芯片通常使用了沉浸式光刻技術，浸入式技術利用長波紫外線光通過液體介質后光源波長縮短來提高分辨率。人們想要使用短波紫外線來對該技術進行改造，當時預計該技術可以在 2004 年投入使用，但是實際上其進入實際運用的時間一直被推遲。這就使得芯片制造商不得不轉而繼續研發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的制作時間也增加了 1 倍。芯片制造商還在試圖開發出三重或者四重圖形模式，這當然會進一步提高生產成本。幾年后當我們回顧 2015 年，將發現可能正是從這一年開始，晶體管的制作成本不再持續下降，而是不斷攀升。 回顧了摩爾定律五十年來的發展，展望未來，半導體行業的創新還將持續，不過這種創新很可能并不是系統性地降低晶體管的成本，而是在集成方面取得新進展：在一個單獨芯片上集合各種不同的功能以降低系統成本。這聽上去很像是摩爾定律 1.0 的時代的邏輯，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代手機中的攝像頭功能，它通過硅穿孔將一個圖像傳感器直接集合到數字信號處理器上。在這之后還會出現更多此類例子。集成芯片的設計者們已經開始探索如何對于微機電系統進行集成，這種技術一旦實現將可以制造出微型加速計、陀螺儀乃至繼電器邏輯。這同樣適用于制造可以進行生物測定與環境測試的微流體傳感器。 所有這些技術都將使用戶能夠直接通過數字 CMOS 來連接外部，模擬這個世界。如果這種新的傳感器和制動器能夠以較低成本大規模生產，將會帶來巨大的經濟效益。 這個被稱作摩爾定律 3.0 的階段以及半導體產業的其他創新發展可能會產生「超越摩爾」的效果，但是可能并不經濟實惠。將非標準化電子元件集成到一個芯片之中可能會帶來許多令人興奮的結果，比如創造新產品或者是增加新的功能。但是這種發展并不是有規律可循的，我們無法對其成功的路線圖進行預測。 由此看開，電子產業的前進道路將會更加撲朔迷離。在今天為一個芯片添加一個新功能可能會為公司帶來經濟收益，但是誰也不能保證在明天為芯片添加另一個功能還能帶來更多的回報。毋庸置疑，對于許多半導體行業現有的公司來說這種轉變過程會是十分痛苦的，勝負結果到現在還不能下定論。 不過我仍然認為摩爾定律 3.0 是這個時代中最讓人激動的定律。一旦我們得到像過去一樣容易量化的指標，我們將看到富有創造力的應用程序爆炸性地增長：仿生操作將于身體無縫對接，手機可以檢測空氣質量與水體質量，微型傳感器將能從周邊環境獲取能量自給自足，還有很多我們想象不到的應用將會出現在生活中。摩爾定律也許會逐漸退出歷史舞臺，但是它的遺產將會在很長時間里面繼續推動我們向前發展。 |
