穿越60年的神話：摩爾定律最新發(fā)展（上）

“摩爾定律’的定義已經(jīng)涉及到幾乎所有與半導體行業(yè)相關的事物，當它們被繪制在半對數(shù)紙上時，就近似于一條直線。——戈登·摩爾（Gordon Moore）”

本文探討了摩爾定律的歷史和現(xiàn)狀。這并不是一篇對摩爾定律歷史或半導體未來發(fā)展技術基礎進行詳細探討的文章。相反，本文試圖提供摩爾定律及其發(fā)展的高層次概述。在這次探究中，本文在幾個關鍵點上借鑒戈登·摩爾自己的觀點。

“距離60歲生日還有兩年，摩爾定律變得有點像薛定諤的貓——同時存在死亡和活著兩種狀態(tài)。——經(jīng)濟學人，2023年12月16日”

任何關于半導體未來的討論很可能都會從摩爾定律開始。最近《經(jīng)濟學人》上的文章“尚未完全消亡” 也遵循了這一常見模式。

近年來，摩爾的預測主導了該主題的討論。這個谷歌Ngram模型顯示了過去十年中“摩爾定律”如何在出版的書籍中幾乎與該定律描述的“集成電路”這個詞一樣被頻繁引用。

 或許我們不應該感到驚訝。隨著個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)和智能手機改變了我們的生活和社會，摩爾定律也具有了反映這些變化重要性的文化意義。

然而，許多關于摩爾定律的討論中都出現(xiàn)了不確切之處。有些評論者忘記了或刻意不去討論摩爾定律的真正含義。例如，上面提到的《經(jīng)濟學人》最近發(fā)表的一篇文章介紹了一些重要且有趣的新技術，但值得注意的是，考慮到報紙的名字，它竟然沒有討論對“定律”至關重要的經(jīng)濟學。

這種不確切性可能是《經(jīng)濟學人》所提到的分歧的根源。摩爾定律仍然適用還是已經(jīng)結束了？讓我們來聽聽兩位行業(yè)領袖的看法：

“摩爾定律已死”——黃仁勛，2022年9月

摩爾定律“仍然有效” ——Pat Gelsinger，2022年9月

黃仁勛說不，Pat說可以！那么，誰是對的呢？

這并不是摩爾定律第一次被宣布死亡，或者起碼是即將死亡。下圖是對“摩爾定律的終結”的進一步概括，自20世紀90年代末以來，這顯然一直是一個熱門的討論話題。

英特爾的馬克·玻爾 (Mark Bohr) 曾說過：

“摩爾定律的終結總是在10年后”，“是的，現(xiàn)在還有10年的時間?！?/span>

摩爾定律未來的不確定性是不可避免的。如果存在可預見的技術障礙，那么對是否應該繼續(xù)實施的質疑是可以預料的。但正如我們所知，半導體行業(yè)一次又一次地突破了這些技術障礙。

在本文中，我們將再次回顧摩爾的原始預測和修訂后的預測，并試圖理解摩爾定律的真正含義。隨后回顧有關摩爾定律預測目前狀況的各種說法。最后，我們將簡要了解在摩爾定律之后的生活可能會是什么樣子。在這個過程中，我們的導師將是戈登·摩爾（Gordon Moore）本人。

 01 在摩爾定律之前

戈登摩爾并不是第一個預測單個集成電路上晶體管數(shù)量會大幅增加的人。1964年在紐約舉行的IEEE會議上，西屋電氣（Westinghouse）公司的Harry Knowles預測到1974年：“我們將在一個單片晶圓上看到250,000個邏輯門?！?/span>

摩爾當時就在聽眾席上，他后來回憶說，他認為諾爾斯的預測是“荒謬的”。他任職的仙童半導體（Fairchild）在努力將更多的邏輯門安裝在一英寸的晶圓上。會議上的其他發(fā)言者對半導體技術的發(fā)展也持更加保守的觀點，與諾爾斯的觀點相矛盾，其他人認為他的預測是“瘋狂的”。

摩爾定律（1965年版）

然而，摩爾很快發(fā)現(xiàn)諾爾斯的預測并不像他想象得那樣瘋狂。1965年，當他被要求為《Electronics》雜志撰寫一篇關于半導體行業(yè)未來的文章時，他查看了自己關于已經(jīng)取得的成就的數(shù)據(jù)：我發(fā)現(xiàn)隨著制造技術的進步，每個元件點的最低成本在過去幾年中迅速下降。根據(jù)這一觀察，我獲取了一些數(shù)據(jù)點并繪制了一條曲線，推斷出需要預測的十年。

摩爾后來更詳細地描述了他的方法：“從仙童半導體推出的早期‘Micrologic’芯片開始，我在1965年將集成電路的數(shù)據(jù)點繪制到了50-60個組件電路上。在半對數(shù)圖上，這些點接近一條直線，直到1965年，其復雜性每年都增加一倍。為了進行我的預測，我只是將這條線在時間上再外推十年，并預測在商業(yè)上最復雜的電路中，元件數(shù)量將增加1000倍?！?nbsp;

該推斷的本質將構成“摩爾定律”的核心：“隨著每個電路上的組件數(shù)量增加，單位成本下降，到1975年，經(jīng)濟可能會驅使在單個硅片上擠壓多達65,000個組件?！?/span>

這與西屋電氣公司諾爾斯的預測不完全一樣，但仍然“瘋狂”。

摩爾后來說，他沒想到這個預測會得到如此精確的實現(xiàn)：“我只是想傳達這樣一個想法：這是一項有未來的技術，從長遠來看，它有望做出相當大的貢獻。”

如果我們采用摩爾引用的數(shù)字，那么1965年有50-60個組件，到1975年增加到65,000個，十年間增長約1,000倍。這相當于十年內組件數(shù)量每年翻倍。

摩爾定律（1975年版）

摩爾的一位朋友、加州理工學院的卡弗·米德很快將這一預測稱為“摩爾定律”。1975年，摩爾重新審視了 “摩爾定律”。根據(jù)他的最新數(shù)據(jù)，他提出了修正后的預測：“到本世紀末，斜率可能每兩年增加一倍，而不是每年增加一倍?！?/span>

摩爾隨后使用這個新的斜率來推斷了之后十年，即到1985年。

這個“1975 年定律”還有一個版本，涉及每18個月將（計算機性能）提高一倍，摩爾將其歸因于英特爾的Dave House：“現(xiàn)在被引用的是每18個月翻倍……我認為是戴夫·豪斯（Dave House）做到了，他曾經(jīng)在英特爾工作過，他認為復雜性每兩年翻一番，晶體管變得越來越快，計算機性能每18個月就會翻一番……但這就是英特爾網(wǎng)站上的內容……以及其他所有內容。我從來沒有說過18個月，但這是經(jīng)常被引用的說法。在本文的剩余部分，我們將堅持摩爾自己的預測。

 02 摩爾定律的實踐

那么摩爾的預測結果如何呢？

1995年，戈登·摩爾本人在一篇名為《光刻與摩爾定律的未來》的文章中重新審視了他的預測。他繪制了一張圖表，顯示盡管他的預測并沒有完全準確，但變化的速度基本上在按照預測進行。

摩爾在其最初預測的40周年之際再次重新審視了他的預測。他再次發(fā)現(xiàn)，他修改后的預測結果很好。

關于到2020年的最新更新，我們可以訪問“我們的數(shù)據(jù)世界”網(wǎng)站，該網(wǎng)站展示了CPU上晶體管數(shù)量的歷史趨勢：1965年，戈登·摩爾預測這種增長至少還會持續(xù)10年。這種預測是正確的嗎？

在圖表中，我們直觀地看到了自1970年以來晶體管密度（集成電路上晶體管的數(shù)量）的增長情況。它看起來與1965年摩爾的簡單繪圖驚人地相似。請再次注意，晶體管數(shù)量位于對數(shù)軸上，因此線性關系意味著增長率是恒定的。這意味著晶體管數(shù)量的增長實際上指數(shù)級的。

來源：Max Roser, Hannah Ritchie

摩爾后來評論道：“我們無法預測未來會發(fā)生什么。這只是一個幸運的猜測，對我來說……幸運的推斷。

事實證明摩爾的預測是一個“幸運的猜測”！

這一進展是如何實現(xiàn)的？

為了更深入地了解摩爾的預測如何應用于實踐，值得考慮一下這一進展是如何實現(xiàn)的。Moore 在1975年對此進行了研究：

他將進展分為三個部分（參見上圖，展示了摩爾過去的分析和1975年以來的短期推斷）：

組件尺寸的減小；

半導體芯片尺寸的增加；

（摩爾稱之為）“設備和電路智能”的貢獻。

也許令人驚訝的是，增長的貢獻很少是由于“尺寸縮小”的貢獻，而很多是由于摩爾所說的“設備和電路智能”。這一項到底是什么？

有人認為這個因素是壓縮芯片中的浪費空間、消除隔離結構和其他各種因素。

他還發(fā)現(xiàn)，“芯片尺寸的增加”與“更小的組件”的貢獻接近。1975年，英特爾8080微處理器芯片的面積為20平方毫米。如今，Apple M1 Max芯片的面積為425平方毫米。這20倍的增長雖然低于遵循摩爾的推斷所需的倍數(shù)，但在過去的幾十年里，它仍然成為了推動定律進步的重要貢獻者。

摩爾不僅僅關注芯片尺寸的增長。他還考慮了晶圓尺寸的增加，在摩爾撰寫這篇回顧文章時，晶圓尺寸已經(jīng)從四分之三英寸增加到300毫米。這與他的一個推測所暗示的57英寸晶圓尺寸不太匹配。不過，英特爾確實提供了一個例子來說明這在實踐中可能意味著什么。

文章來源：半導體產(chǎn)業(yè)縱橫