守望摩爾定律

摩爾定律的來歷

工作在半導(dǎo)體行業(yè)的人，可說無人不知摩爾定律(Moore's Law)。筆者在手頭一本詞典中對摩爾定律的解釋大致是：Intel公司的創(chuàng)辦人之一戈登，摩爾(G，Moore)在1965年所作的觀察發(fā)現(xiàn)，說集成電路上的元器件數(shù)量將會以每18個月翻一番的速度穩(wěn)定增長。并說這個預(yù)言因Ic的發(fā)展而得到證明被譽為“IT業(yè)第一定律”，后來，這一定律還經(jīng)常被用來形容其它高技術(shù)超常的發(fā)展速度。

集成電路是1958～1959年間發(fā)明的，到1965年身任仙童(Fairchild)半導(dǎo)體公司研究開發(fā)室主任的摩爾提出所謂摩爾定律時不過六七年的時間，當時集成度僅只30個元器件，世界半導(dǎo)提及“18個月翻一番”的說法。

倒是同在Intel公司工作的DaveHouse曾提出，計算機的效率大約每18個月翻一番，摩爾也認為“18個月翻番”的提法應(yīng)歸功于他。那今天通用關(guān)于摩爾定律18個月翻番的提法不知是否即由此而來?

摩爾定律首先用于描述集成電路上晶體管數(shù)量的增長，但后來又被應(yīng)用到芯片時鐘速度及性能等其它快速增長的領(lǐng)域。摩爾當時也并未看得很遠，但令人驚奇的是，40多年來世界半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展的實踐證明，大體上是符合摩爾提出的發(fā)展趨勢的，相當準確。

因此，我們對摩爾的智慧、感悟和謙誠充滿了敬佩之情。

摩爾其人

1955年晶體管發(fā)明人肖克利(w.B.Shockley)創(chuàng)立了半導(dǎo)體實驗室(公司)，集威電路發(fā)明人之一諾伊斯(R.Noyce)和1954年畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分校化學(xué)專業(yè)的摩爾一起投奔了肖克利，但肖克利辦公司仍用實驗室的一套管理模式，公司很不成功。

因而后被肖克利稱為“8個叛徒”(包括上述2人)的8個人，于1957年出走另創(chuàng)仙童半導(dǎo)體公司，1963年靡爾介紹格魯夫(A.Grove)進入仙童公體市場也不過15億美元。摩爾定律僅是短短幾年內(nèi)摩爾對集成電路生產(chǎn)經(jīng)驗的總結(jié)和觀察的成果，它不是嚴密科學(xué)的數(shù)學(xué)公式或物理定律，只是一個大概的發(fā)展速度推算，也可說是一種信念。

每18個月翻一番這是最常見的版本，但據(jù)國外媒體在2005年紀念摩爾定律40周年的撰文中說，1965年4月摩爾應(yīng)邀為慶祝《Electronics》雜志誕生35周年而發(fā)表了題為“Crammingmore components onintegrated circuits”的文章，對1965～1975年未來10年間的集成電路作了展望，在這里摩爾所表達的時間長度為“每年翻一番”，同時摩爾在這篇文章中指出。“1975年后兩年翻一番”，因此這里并沒有司。諾伊斯和摩爾二人在仙童公司工作了11年，但是對新公司的管理還不稱心，遂于1968年二人帶著第一個員工格魯夫共3人又成立了一家新公司，采用了Integrated Electronics(集成電子)頭幾個字母，取名Intel(英特爾)公司。

新公司在3位科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)下(大體上分工是諾伊斯做公關(guān)，摩爾管財務(wù)，格魯夫具體管理)，堅守摩爾定律，把公司發(fā)展成了世界第一大半導(dǎo)體公司。雖然科學(xué)家創(chuàng)辦公司失敗的例子居多，而Intel卻在3位科學(xué)家“三駕馬車”式的領(lǐng)導(dǎo)下(格魯夫出版了名著《高產(chǎn)出管理》一書)——他們既有科學(xué)家的資質(zhì)，又有企業(yè)家的才干，取得了無比輝煌的業(yè)績，十分難能可貴，至今仍是高技術(shù)業(yè)界經(jīng)營管理的典范，共同學(xué)習(xí)的榜樣。

摩爾定律的發(fā)展

自從出現(xiàn)摩爾定律以后，Intel公司至今一直力挺這條定律，其余半導(dǎo)體廠商也大多以摩爾定律作為公司發(fā)展目標，40多年來世界半導(dǎo)體業(yè)無論技術(shù)、經(jīng)濟或產(chǎn)品的發(fā)展都十分迅速。據(jù)報道，Intel公司1971年推出的4004處理器上僅集成了2300個晶體官，而到2004年推出的Itanium2處理器其集成5.92億個晶體管，33年的年均增長率為46％(見表1)。

從DRAM的存儲容量來看，1970年為4kb，2005年達到32Gb，3s年的年均增長率為57％(見表2)。

如果從起始年再往前推幾年，那增長速度還會進一步提高。當然，比較典型的代表是半導(dǎo)體工藝線寬，1970年為10μm，經(jīng)過40年到2010年進步到50nm，縮小了200多倍，在2000年前大約每3年革新一代。1970年世界半導(dǎo)體市場約為40億美元，經(jīng)過30年到2000年達到2000億美元，年均增長率14％。

摩爾定律何時告終?

世界萬物有始必有終，摩爾定律總有失效的時候。

摩爾本人也坦承：“Somethinglike this can’t continue for ever，”他在2005年紀念摩爾定律40周年時曾說，再過40年后的情況不可想象。但他預(yù)想摩爾定律還可存在10年或者20年。

據(jù)有關(guān)媒體報道，按集成電路的集成度計算，1965～1970年間晶體管數(shù)量是每年翻一番，1970～2003年間為1.5～2年翻一番，2003～2009年間2年翻一番，往后將是3年翻一番。工藝尺寸2000年前每3年更新一代，但此后從0.1μm開始變革速度也在放慢。世界半導(dǎo)體市場從1960～1995年的年均增長率高達17％左右，往后將降至個位數(shù)，有預(yù)測約為6％。一般認為，現(xiàn)在已經(jīng)由技術(shù)推動需求演變?yōu)樾枨鬆恳夹g(shù)，例如蘋果公司相繼成功推出的iPod、iPhone和iPad最具需求牽引技術(shù)的代表性。

去年iSuppli市場調(diào)研公司發(fā)表了一篇報告聲稱，作為半導(dǎo)體發(fā)展路標的摩爾定律即將于2014年失效，引起了很大反響，議論頗多。摩爾定律已經(jīng)成功運行了40多年，業(yè)界奉為圭臬，主要成功因素之一是加工工藝的不斷進步。事實上，在工藝發(fā)展過程中摩爾定律遇到過的所謂極限挑戰(zhàn)已有3次：1985年后的1μm、90年代后的深亞微米以及進入21世紀后的0.1μm，但都被一一逾越，闖關(guān)前進。這次iSuppli公司提出的極限挑戰(zhàn)是18nm往后。所舉首要原因是制造設(shè)備的成本過高，在產(chǎn)品大量生產(chǎn)周期內(nèi)根本無法補償。費用之巨大如圖1所示，廠商何堪負擔(dān)?斷言摩爾定律將僅歸于實驗室，不再適于半導(dǎo)體生產(chǎn)行業(yè)的經(jīng)濟運行(見表3)。

據(jù)統(tǒng)計，每一代工藝技術(shù)(節(jié)點)的(世界)營收，由于新一代技術(shù)會帶來更殷切的需求，故而在達到頂點后往往迅速下降。圖1告訴我們，90nm那一代的營收于2007年登頂后迅即下滑，但65nm代便長得多了，這是因為廠商企圖盡量利用既有技術(shù)以獲得更多的利益，表明工藝進步正由技術(shù)驅(qū)動改變?yōu)榻?jīng)濟驅(qū)動，工藝進步隨之趨緩。

持此看法的不僅有iSuppli公司，IBM一位資深專家Carl Anderson在美國舉行的國際物理設(shè)計大會上也表示，今天摩爾定律已失去了前進動力，行將接近時代終點。他說，每門工業(yè)都有自己的飛躍成長時期。鐵路在19世紀，汽車在20世紀30～40年代，飛機在超音速以前，這種躍進速度總有一天會走到盡頭。半導(dǎo)體工業(yè)也不例外，今后也就只有極少數(shù)大型公司為發(fā)展新一代技術(shù)或能承受得起如此巨大的經(jīng)濟負擔(dān)。

贊同摩爾定律失效之說的日益增多，今天客戶并不關(guān)心使用的是哪一代新技術(shù)，而只要求為他存在的問題提供解決方案。例如，產(chǎn)品性能要好，成本要低，功耗要小，特別要求能夠搶先上市，而對磨爾定律失效與否與他無關(guān)。

也有人提出，半導(dǎo)體大廠有可能做到不斷提供更快、更多、更小、更好的處理器，Intel的單核處理器Pentium4要不遇到發(fā)熱問題還會發(fā)展，遏阻之后才改而提供多核處理器，Intel的i7和AMD的Phenom11性能都特強，可價格高昂，用戶卻步，那么快的速度，用來干什么?實際當今的音視頻效果已超過了人們感官的極限，處理器能力已遠超網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，幾千萬像素的數(shù)碼相機有多大用處?就說手機吧，中外許多人都還用’著2G手機。為什么?3G還用不著。

展望

摩爾定律曾迅速有力地推動了世界半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，這是不爭的事實。人們對摩爾定律懷有深厚的感情，但摩爾定律發(fā)現(xiàn)至今已有45年，是否會繼續(xù)存在下去?Intel公司看來是力挺的，自45nm技術(shù)進入大量生產(chǎn)后，22nm技術(shù)也已成功開發(fā)，在指甲大小的SRAM上集成了29億個晶體管。

世界首位半導(dǎo)體代工企業(yè)——臺積電則將從28nm跳過22nm，直接進入20nm技術(shù)，爭取成為公司未來主流技術(shù)。無可否認，單從技術(shù)角度講應(yīng)該是有可能繼續(xù)突破的，面臨的困難主要在經(jīng)濟上和有無實用的價值。

另一方面，我們看到不僅“摩爾定律失效”之論甚囂塵上，且不少公司提出了“后摩爾定律”、“新摩爾定律”等等概念，建議不再追求更高效能的單芯片，而是“從更快轉(zhuǎn)向更好”，向多元化和實用化發(fā)展，走向創(chuàng)新。

據(jù)此觀察，未來的技術(shù)發(fā)展，首先應(yīng)是多核處理器，人們在工作站上采用多核處理器以解決性能和功耗問題已經(jīng)有年，且多核處理器發(fā)展很快，今年更是多核soc發(fā)展的轉(zhuǎn)折點。其次是3D(三維)Ic，美國SEMATECH(半導(dǎo)體制造技術(shù)科研聯(lián)合體)日前強調(diào)，3D Ic是世界半導(dǎo)體業(yè)繼續(xù)擴張、提高產(chǎn)品集成度必不可少的新技術(shù)，它除了具有高性能、高密度等特性外，還可望達到低成本和小型化。此外，還有開發(fā)光互連、配置加速器的處理器和利用新半導(dǎo)體材料，等等。

總之，審時度勢，正確對待摩爾定律，采取堅決有力的措施，才能更好、更有利地發(fā)展我們的半導(dǎo)體事業(yè)!