Jianglin Wang：摩尔定律50年
今年（2015年）4月是摩尔定律发表50周年。
图1. 戈登.摩尔
现代半导体工业的基础是由贝尔实验室的John Bardeen, Walter Brattain和William Shockley于1947年发明的晶体管。随后，德州仪器（TI）的Jack Kilby和仙童半导体 (Fairchild Semiconductor)的Robert Noyce分别于1958和1959年独立发明了将多个电子器件集成在一块半导体材料上的技术即集成电路技术。但到6年以后的1965年初，当时任仙童半 导体研发主管的戈登.摩尔（Gordon Moore）应邀在《电子学杂志》（Electronics Magazine）上发表文章对其后十年半导体集成电路技术的走向作出预测时，集成电路的发展还处于相当初级的阶段。摩尔手头有的只是此前几年每年业界达 到的最高集成度的数据，包括1964年的32和1965年的64个元件。摩尔把1959作为起始点将这五个数字标在坐标纸上，五个数字在半对数坐标上连成 了一条相当规整的直线。他将直线延伸到十年之后的1975年，就得到了图2中的曲线。
在发表于1965年4月19日出版的《电子学杂志》上的文章中，摩尔预测在其后10年中，电子器件的集成度会保持1960年代前几年的增长速度，即 每个器件上集成的元件数目每12个月翻一番。这样到10年后的1975年，每个电路上应该可以集成2的16次方也就是65000个以上的元件。这就是后来 大名鼎鼎的摩尔定律。
这是一个相当大胆的预测。但是历史证明了摩尔预言的正确。在1975年的IEEE国际电子器件会议（IEDM）上，已是Intel联合创始人和总裁 的摩尔对此时已经在业界尽人皆知的摩尔定律做了总结，并提出摩尔定律在未来依然有效，半导体器件的集成度仍然会以指数形式增长，但增长速度将会放慢到每 24个月翻一番。
图2. 1965年4月发表的摩尔定律曲线。Y轴代表每块芯片上集成的元件数目，以2的指数表示
如今40年过去了，半导体工业的发展历程与摩尔定律的预测大体吻合（图3）。每二到三年，新的工艺技术节点（node）的推出都带来集成度翻番，器 件性能（速度，功率密度，响应频率等）提高，单位功耗下降，以及每个晶体管（或逻辑门）的平均成本降低。50年的高速持续发展使器件尺度从10微米量级降 到10纳米量级，一块芯片上集成的器件数目从64个增长到了今天的10亿个以上。而器件功能的集成度也随之不断提高，从单一功能（逻辑，存储，输入输出 等）到系统单片集成（SoC）。硬件功能的发展带动软件的同步发展。半导体器件运算能力的不断提高，能耗和价格的持续下降是1970年代以来个人电脑，互 联网，移动通信和云计算得以实现和发展的基础。可以说，人类技术史上从来没有任何一类产品能够在如此大的范围如此长的时间内持续以翻番的速度改进性能而同 时价格不断下降，称其为一场革命也不为过。
图3. 半导体器件集成度与摩尔定律 – 取自网络 Y轴是每块芯片上集成的晶体管数目。
摩尔定律不是基于任何物理理论或实验结果，也就是说它实际上并不是一个科学定律。但没有一个科学定律可以像摩尔定律一样在长达半个世纪的时间里对集 成电路的发展产生持续的推动作用。摩尔定律也不是一个简单的对未来集成电路发展趋势的推测，它并不是被动地预测技术的发展趋势，而是实际推动技术持续发展 的动力。这其中的奥秘在哪里呢？
首先是由于摩尔对1965到1975年间集成电路发展趋势的成功预测。摩尔的预测不仅仅是基于对1960年代前5年集成电路发展数据的敏锐观察，而 且是基于他对半导体技术内在规律的深刻理解。当10年后的1975年摩尔的预言被证实时，所有人都对摩尔定律的预测深信不疑进而将其看作技术发展的标尺 （Benchmark）。业界基于摩尔定律制定技术节点的发展路线图（Roadmap）。大家都以摩尔定律为依据制定自己的发展战略并努力实现，同时假定 所有竞争对手都在做相同的事情，如果自己不能达标就有被对手超过的危险。就这样众多的半导体公司在激烈的竞争中坚持不懈地追逐摩尔定律的目标并因此推动半 导体科技不断进步。竞争使优者胜出，劣者淘汰。摩尔定律就是以这种独特的方式推动集成电路技术不断前进。实际上它的影响并不仅限于半导体工业，所有现代电 子工业都或多或少地受到摩尔定律的推动。
过去50年里，集成电路工业的发展基本上遵循了摩尔定律。那从现在开始，摩尔定律还能走多远呢？10年？20年？还是另一个50年？戈登.摩尔自己 没有再次作出预测。将摩尔定律视为镇家之宝的Intel公司也只是说“摩尔定律可以，而且会在今后一段时间里继续有效”（“Moore’s Law can—and will—continue on for some time” – Brian Krzanich, Intel CEO, April 19, 2015）。从目前的发展趋势来看，我们至少可以说下一个10年或2至3个技术节点，摩尔定律应该还是有效的。但再进一步发展，将面临越来越大的挑战。
首先是资金，成本和价格的挑战。目前半导体工业每一步进展都离不开巨额投资。建成一座生产厂的投资已由50年前的数百万美元增长到了今天的上百亿美 元。最新一代16纳米工艺的研发费用达到了惊人的15亿美元。电路设计的投入也同样巨大。继续在工艺技术上角逐摩尔定律的公司已从10年前的十余家降到了 目前的大约5家，其中包括Intel，三星和以台积电为首的几家代工厂。曾经是工艺研发的主要参与者日本和欧洲已经完全退出了竞争。更重要的是，由集成度 提高带来的成本降低被所需投资的增加所抵消，长期以来集成电路成本和产品价格与摩尔定律的关联已被打破。每一代新技术的单位成本都比前一代更低的趋势到 20纳米这一技术节点已经逆转。从20纳米开始每一代新技术的百万门电路单位成本都会增加。作为摩尔定律的两大推动力之一的价格因素已经不复存在。多少年 来，人们已经习惯用更低的或者相近的价格来得到功能更强大的新一代电子产品，这样的日子恐怕一去不复返了。高科技产品的快速发展的动力来自性能的持续提升 和价格的不断下降。价格停止下降标志着半导体工业开始由高科技开始向传统工业转向。除非这一趋势被再次扭转，今后仅靠器件性能改进来推动的摩尔定律很可能 不会像过去50年走得那么快那么远。
其次是物理极限。和第一点相比，这或许是更具根本性的挑战。摩尔定律是建立在电子元件的尺寸持续不断地缩小的基础上的。但这种缩小不是无限的，其限 度就是原子的线度。硅原子的物理线度是大约0.5纳米。即使假设晶体管可以由单原子组成（据说在实验室已经实现），从下一代技术节点10纳米开始到0.5 纳米只剩9个节点可用。10纳米以下每一步技术进步都会遇到越来越大的挑战，但这不会成为不可逾越的障碍。实际上摩尔定律50年一路走来已经克服了众多的 被认为不可克服的障碍。而物理极限则是另一回事，是不可能挑战的。硅原子的物理极限不能用简单地缩小元件尺寸来突破。突破这一极限需要原理性创新。这样的 创新或许将标志着新一代电子技术的诞生。不管新技术能否及时诞生，现在的半导体技术快速发展的时代都将在达到半导体原子的物理极限之时或之前结束。而这也 就标志着摩尔定律的终结。
毋庸置疑，摩尔定律在20世纪后半期和21世纪前期对当代电子科技的推动作用是巨大的，但是回头来看，它是否同时给我们留下某些遗憾呢？在摩尔定律 的驱赶下，我们是否浪费了从原始集成电路到原子尺度间的有限资源呢？如果在每个节点停留更长的时间，是否能够延长整个半导体技术的全期寿命呢？如果业界不 是这样急匆匆地追赶摩尔定律的节奏，可以在每一个节点多花一点时间，把晶体管性能做得更好一点，把电路设计更优化一点，是否会收获更大的利益呢？当然历史 没有假设，没有如果。但有一点我们知道，就是，摩尔定律会有终结的一天，但技术的发展不会终结。下一代技术永远是更好的技术。
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