穿越60年的神話：摩爾定律最新發(fā)展

作者：BABBAGE

“摩爾定律’的定義已經(jīng)涉及到幾乎所有與半導(dǎo)體行業(yè)相關(guān)的事物，當(dāng)它們被繪制在半對(duì)數(shù)紙上時(shí)，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(duì)摩爾定律歷史或半導(dǎo)體未來發(fā)展技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行詳細(xì)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上借鑒戈登·摩爾自己的觀點(diǎn)。

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

任何關(guān)于半導(dǎo)體未來的討論很可能都會(huì)從摩爾定律開始。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(yù)測(cè)主導(dǎo)了該主題的討論。這個(gè)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(gè)詞一樣被頻繁引用。

或許我們不應(yīng)該感到驚訝。隨著個(gè)人電腦、互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)改變了我們的生活和社會(huì)，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(guān)于摩爾定律的討論中都出現(xiàn)了不確切之處。有些評(píng)論者忘記了或刻意不去討論摩爾定律的真正含義。例如，上面提到的最近發(fā)表的一篇文章介紹了一些重要且有趣的新技術(shù)，但值得注意的是，考慮到報(bào)紙的名字，它竟然沒有討論對(duì)“定律”至關(guān)重要的經(jīng)濟(jì)學(xué)。

這種不確切性可能是其所提到的分歧的根源。摩爾定律仍然適用還是已經(jīng)結(jié)束了？讓我們來聽聽兩位行業(yè)領(lǐng)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(duì)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(duì)“摩爾定律的終結(jié)”的進(jìn)一步概括，自20世紀(jì)90年代末以來，這顯然一直是一個(gè)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(jié)總是在10年后”，“是的，現(xiàn)在還有10年的時(shí)間。”

摩爾定律未來的不確定性是不可避免的。如果存在可預(yù)見的技術(shù)障礙，那么對(duì)是否應(yīng)該繼續(xù)實(shí)施的質(zhì)疑是可以預(yù)料的。但正如我們所知，半導(dǎo)體行業(yè)一次又一次地突破了這些技術(shù)障礙。

在本文中，我們將再次回顧摩爾的原始預(yù)測(cè)和修訂后的預(yù)測(cè)，并試圖理解摩爾定律的真正含義。隨后回顧有關(guān)摩爾定律預(yù)測(cè)目前狀況的各種說法。最后，我們將簡(jiǎn)要了解在摩爾定律之后的生活可能會(huì)是什么樣子。在這個(gè)過程中，我們的導(dǎo)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(gè)預(yù)測(cè)單個(gè)集成電路上晶體管數(shù)量會(huì)大幅增加的人。1964年在紐約舉行的IEEE會(huì)議上，西屋電氣（Westinghouse）公司的Harry Knowles預(yù)測(cè)到1974年：“我們將在一個(gè)單片晶圓上看到250,000個(gè)邏輯門?！?/p>

摩爾當(dāng)時(shí)就在聽眾席上，他后來回憶說，他認(rèn)為諾爾斯的預(yù)測(cè)是“荒謬的”。他任職的仙童半導(dǎo)體（Fairchild）在努力將更多的邏輯門安裝在一英寸的晶圓上。會(huì)議上的其他發(fā)言者對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展也持更加保守的觀點(diǎn)，與諾爾斯的觀點(diǎn)相矛盾，其他人認(rèn)為他的預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)并不像他想象得那樣瘋狂。1965年，當(dāng)他被要求為《Electronics》雜志撰寫一篇關(guān)于半導(dǎo)體行業(yè)未來的文章時(shí)，他查看了自己關(guān)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(shù)的進(jìn)步，每個(gè)元件點(diǎn)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(diǎn)并繪制了一條曲線，推斷出需要預(yù)測(cè)的十年。

摩爾后來更詳細(xì)地描述了他的方法：“從仙童半導(dǎo)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(diǎn)繪制到了50-60個(gè)組件電路上。在半對(duì)數(shù)圖上，這些點(diǎn)接近一條直線，直到1965年，其復(fù)雜性每年都增加一倍。為了進(jìn)行我的預(yù)測(cè)，我只是將這條線在時(shí)間上再外推十年，并預(yù)測(cè)在商業(yè)上最復(fù)雜的電路中，元件數(shù)量將增加1000倍。”

該推斷的本質(zhì)將構(gòu)成“摩爾定律”的核心：“隨著每個(gè)電路上的組件數(shù)量增加，單位成本下降，到1975年，經(jīng)濟(jì)可能會(huì)驅(qū)使在單個(gè)硅片上擠壓多達(dá)65,000個(gè)組件?！?/p>

這與西屋電氣公司諾爾斯的預(yù)測(cè)不完全一樣，但仍然“瘋狂”。

摩爾后來說，他沒想到這個(gè)預(yù)測(cè)會(huì)得到如此精確的實(shí)現(xiàn)：“我只是想傳達(dá)這樣一個(gè)想法：這是一項(xiàng)有未來的技術(shù)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，它有望做出相當(dāng)大的貢獻(xiàn)?！?/p>

如果我們采用摩爾引用的數(shù)字，那么1965年有50-60個(gè)組件，到1975年增加到65,000個(gè)，十年間增長(zhǎng)約1,000倍。這相當(dāng)于十年內(nèi)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(xué)院的卡弗·米德很快將這一預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)：“到本世紀(jì)末，斜率可能每?jī)赡暝黾右槐叮皇敲磕暝黾右槐?。?/p>

摩爾隨后使用這個(gè)新的斜率來推斷了之后十年，即到1985年。

這個(gè)“1975 年定律”還有一個(gè)版本，涉及每18個(gè)月將（計(jì)算機(jī)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(gè)月翻倍……我認(rèn)為是戴夫·豪斯（Dave House）做到了，他曾經(jīng)在英特爾工作過，他認(rèn)為復(fù)雜性每?jī)赡攴环?，晶體管變得越來越快，計(jì)算機(jī)性能每18個(gè)月就會(huì)翻一番……但這就是英特爾網(wǎng)站上的內(nèi)容……以及其他所有內(nèi)容。我從來沒有說過18個(gè)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(jiān)持摩爾自己的預(yù)測(cè)。

?02摩爾定律的實(shí)踐

那么摩爾的預(yù)測(cè)結(jié)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(yù)測(cè)。他繪制了一張圖表，顯示盡管他的預(yù)測(cè)并沒有完全準(zhǔn)確，但變化的速度基本上在按照預(yù)測(cè)進(jìn)行。

摩爾在其最初預(yù)測(cè)的40周年之際再次重新審視了他的預(yù)測(cè)。他再次發(fā)現(xiàn)，他修改后的預(yù)測(cè)結(jié)果很好。

關(guān)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(shì)：1965年，戈登·摩爾預(yù)測(cè)這種增長(zhǎng)至少還會(huì)持續(xù)10年。這種預(yù)測(cè)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(zhǎng)情況。它看起來與1965年摩爾的簡(jiǎn)單繪圖驚人地相似。請(qǐng)?jiān)俅巫⒁猓w管數(shù)量位于對(duì)數(shù)軸上，因此線性關(guān)系意味著增長(zhǎng)率是恒定的。這意味著晶體管數(shù)量的增長(zhǎng)實(shí)際上指數(shù)級(jí)的。

摩爾后來評(píng)論道：“我們無法預(yù)測(cè)未來會(huì)發(fā)生什么。這只是一個(gè)幸運(yùn)的猜測(cè)，對(duì)我來說……幸運(yùn)的推斷。事實(shí)證明摩爾的預(yù)測(cè)是一個(gè)“幸運(yùn)的猜測(cè)”！

這一進(jìn)展是如何實(shí)現(xiàn)的？

為了更深入地了解摩爾的預(yù)測(cè)如何應(yīng)用于實(shí)踐，值得考慮一下這一進(jìn)展是如何實(shí)現(xiàn)的。Moore 在1975年對(duì)此進(jìn)行了研究：

他將進(jìn)展分為三個(gè)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(dǎo)體芯片尺寸的增加；（摩爾稱之為）“設(shè)備和電路智能”的貢獻(xiàn)。

也許令人驚訝的是，增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)很少是由于“尺寸縮小”的貢獻(xiàn)，而很多是由于摩爾所說的“設(shè)備和電路智能”。這一項(xiàng)到底是什么？

有人認(rèn)為這個(gè)因素是壓縮芯片中的浪費(fèi)空間、消除隔離結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(zhǎng)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(dòng)定律進(jìn)步的重要貢獻(xiàn)者。

摩爾不僅僅關(guān)注芯片尺寸的增長(zhǎng)。他還考慮了晶圓尺寸的增加，在摩爾撰寫這篇回顧文章時(shí)，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(gè)推測(cè)所暗示的57英寸晶圓尺寸不太匹配。不過，英特爾確實(shí)提供了一個(gè)例子來說明這在實(shí)踐中可能意味著什么。

?03摩爾定律：誤解與現(xiàn)實(shí)

在繼續(xù)講述之前，我們應(yīng)該解決關(guān)于摩爾定律的一些流行誤解，并強(qiáng)調(diào)一些關(guān)鍵點(diǎn)。摩爾定律：

1.并非一個(gè)“自然定律”

這與設(shè)備的基本物理或化學(xué)特性無關(guān)，當(dāng)然，是基本物理和化學(xué)特性最終限制了元件的尺寸。

2.并不能預(yù)測(cè)計(jì)算機(jī)性能的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。我們已經(jīng)看到，摩爾沒有預(yù)測(cè)性能每18個(gè)月翻一番。芯片上更多的組件可以帶來性能的提高，但這種關(guān)系很復(fù)雜，2006年左右，Dennard Scaling5的結(jié)束意味著即使摩爾定律仍在繼續(xù)，性能的增長(zhǎng)速度也有所放緩。

3.并非僅僅是縮小元件尺寸

參照上面和后面的更多討論。

4.確實(shí)對(duì)集成電路上組件數(shù)量隨最佳單位經(jīng)濟(jì)性（即每個(gè)組件的最低成本）的增長(zhǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)

摩爾定律并沒有描述集成電路上組件數(shù)量的最大可能增長(zhǎng)。我們可以用摩爾在1965年的原始論文中的這張圖表來說明這一點(diǎn)，該圖表顯示了具有更多組件但單位經(jīng)濟(jì)性較差的電路。摩爾的預(yù)測(cè)是關(guān)于這些曲線的最小值。

關(guān)鍵在于，每個(gè)組件的成本呈指數(shù)級(jí)縮減。如果每個(gè)組件的成本不以這種方式降低，那么具有指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)數(shù)量的組件的集成電路成本將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

順便說一句，為什么每個(gè)組件的制造成本圖表看起來像這樣？在摩爾的第一篇文章發(fā)表之前，西屋電氣公司的Harry Knowles發(fā)表的一篇論文中有一個(gè)線索。這是“產(chǎn)出曲線”和“每個(gè)組件的100%產(chǎn)出成本曲線”的乘積。

最后一點(diǎn)，摩爾定律已經(jīng)被用來創(chuàng)建一個(gè)時(shí)間表，半導(dǎo)體行業(yè)可以圍繞它安排自己的發(fā)展。

摩爾定律最終成為了一個(gè)自我實(shí)現(xiàn)的預(yù)言，部分原因是公司以這種方式組織自己，以根據(jù)摩爾的預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)?；蛟S，與其說是運(yùn)氣，不如說是計(jì)劃！

作為經(jīng)濟(jì)學(xué)的摩爾定律

如果摩爾定律不是自然定律，那么它到底是什么？

“摩爾定律實(shí)際上是關(guān)于經(jīng)濟(jì)學(xué)的。我的預(yù)測(cè)關(guān)于半導(dǎo)體行業(yè)的未來方向，我發(fā)現(xiàn)通過其一些基本經(jīng)濟(jì)學(xué)可以最好地理解該行業(yè)?！甑恰つ枴?/p>

然而，僅僅說“與經(jīng)濟(jì)學(xué)有關(guān)”并不能真正幫助我們理解正在發(fā)生的事情。讓我感到意外的是，在研究這篇文章時(shí)，關(guān)于摩爾定律背后的經(jīng)濟(jì)學(xué)似乎被寫得出奇地少。這或許是因?yàn)檫@個(gè)主題很復(fù)雜，而且它位于兩個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的交匯處。摩爾定律是半導(dǎo)體制造經(jīng)濟(jì)學(xué)和底層技術(shù)之間一系列高度復(fù)雜相互作用的最終結(jié)果。

為了突破這種復(fù)雜性，對(duì)摩爾定律的一種（非常簡(jiǎn)單的）思考方式是作為良性循環(huán)的闡述:

創(chuàng)造更復(fù)雜的設(shè)備……導(dǎo)致……

這些設(shè)備的市場(chǎng)更大……這反過來又刺激……

對(duì)研發(fā)和更復(fù)雜制造的投資……這反過來又導(dǎo)致……

創(chuàng)建更復(fù)雜的設(shè)備……

……如此循環(huán)下去…

摩爾在他工作的公司（首先是仙童公司，然后是英特爾公司）里看到了技術(shù)創(chuàng)新的可行速度。什么是可能的，部分取決于企業(yè)能夠承擔(dān)的投資水平。

正如上文所述，這個(gè)周期當(dāng)然是對(duì)實(shí)際情況的簡(jiǎn)化。它忽略了半導(dǎo)體制造商之間的競(jìng)爭(zhēng)，而在實(shí)際操作中，這將是影響他們發(fā)展更先進(jìn)設(shè)備方法的主要因素。然而，我認(rèn)為根據(jù)上述模型，有趣的是，公司之間的競(jìng)爭(zhēng)并非維持這一良性循環(huán)的先決條件。

這種模式的另一個(gè)簡(jiǎn)化之處是，參與者可以展望兩年以上的周期，預(yù)測(cè)未來的改進(jìn)并為以后周期的需要做準(zhǔn)備。

這是“定律”的奇妙之處之一。通過為這些發(fā)展制定時(shí)間表，企業(yè)可以集體組織起來以實(shí)現(xiàn)這些發(fā)展。

有理由確信，這是促使摩爾以這種方式陳述問題的原因之一。通過概述他認(rèn)為可以預(yù)期改進(jìn)的速度，他給供應(yīng)商和客戶提供了一個(gè)提示，讓他們?yōu)檫@些改進(jìn)做好準(zhǔn)備。

這些改進(jìn)的實(shí)際節(jié)奏也很重要。摩爾利用他的觀察和經(jīng)驗(yàn)制定了一個(gè)他認(rèn)為可能是可持續(xù)的改進(jìn)速度。如果他弄錯(cuò)了，那么這可能會(huì)導(dǎo)致良性循環(huán)的潛在中斷:

過快的速度會(huì)導(dǎo)致技術(shù)上的過度延伸，可能導(dǎo)致無法制造出所需的更復(fù)雜的設(shè)備；

太慢的速度則不足以刺激維持制造這些設(shè)備所需投資的需求

通過保持可控但有意義的進(jìn)展速度，這一勢(shì)頭才能得以延續(xù)。

將這一改進(jìn)速度公之于眾的一個(gè)附帶好處是，盡管企業(yè)可能會(huì)試圖加快速度以獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但以一致的速度發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)將限制它們。

?04摩爾定律的終結(jié)

摩爾在2005年做出了最后一組預(yù)測(cè)。

“正如過去四十年所證明的那樣，一群富有獻(xiàn)身精神的科學(xué)家和工程師能夠做出令人驚嘆的事情。我看不到什么時(shí)候結(jié)束，我只能看到未來十年左右的情況。——戈登·摩爾，2005年”

現(xiàn)在距摩爾認(rèn)為他可以預(yù)見未來的“十年左右”已經(jīng)過去了將近十年。我們現(xiàn)在能更多地談?wù)撽P(guān)于“定律”何時(shí)終結(jié)的問題嗎？

首先要指出的是，像摩爾定律這樣的指數(shù)增長(zhǎng)總會(huì)在某個(gè)時(shí)候終止。集成電路上的組件數(shù)量不可能“永遠(yuǎn)”繼續(xù)翻倍。

然后，如果我們回到良性循環(huán)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)循環(huán)可能會(huì)因?yàn)槲茨茏龅揭韵聨c(diǎn)而被打破：創(chuàng)建更復(fù)雜的設(shè)備，或者…為這些設(shè)備創(chuàng)建/擴(kuò)大市場(chǎng)，或者…刺激研發(fā)和先進(jìn)制造投資…

讓我們依次看看這些潛在的“故障點(diǎn)”。

物理限制和路線圖

本帖開篇的提到的發(fā)表的文章關(guān)注的是如何解決制造更復(fù)雜設(shè)備過程中的一些技術(shù)障礙。它強(qiáng)調(diào)了一些試圖繞過這些障礙的措施，從“幾乎投入生產(chǎn)”到“有點(diǎn)投機(jī)”，包括:從“finFET”轉(zhuǎn)向“納米片”；背面供電；硅的替代品包括“過渡金屬二硫?qū)倩铩保?/strong>