摩尔定律被忽视的内容 - 摩尔定律：我这一辈子，见证了电子产业的崛起

　　摩尔定律被忽视的内容

　　当我们回顾摩尔这篇重要的论文时，会从中发现一些被人忽视的细节。首先，摩尔的预测针对的是集成电路上的电子元件数量，而不不仅仅是晶体管，电子元件中还包括了电阻、电容和二极管。在发展初期，集成电路中的电阻比晶体管还多。而后来当金属氧化物半导体场效应晶体管出现之后，集成电路上晶体管之外的电子元件所需越来越少，这也就意味着数字时代开始了。晶体管在集成电路中起到了主导作用，而对于集成电路复杂性的衡量则主要依据它所包含的晶体管数量。

　　

　　这篇文章还揭示了摩尔对于集成电路所带来的经济效益的关注。在摩尔定律中所说的电子元件的数量，并不是指芯片上所包含的最大元件数量或者平均数量，而是指每个元件的成本都能达到最小时集成芯片上可以包含的元件数量。摩尔内心明白，在一个集成电路上所能够放置的元件数量并不是越多越好，多并不一定代表着就是经济实惠的选择。在每一代芯片制造技术发展过程中，集成电路中的元件数量都有着符合当时实际情况的最佳平衡点。随着你往集成电路上添加越来越多的元件，分摊到每一个元件上面的成本是降低了，但是一旦这个数量超过了特定值，试图往集成电路中添加更多的晶体管就会使得缺陷出现的可能性增加，并降低了可用芯片的收益。只要超过了这个特定值上，每个元件的成本就会开始增加。发展到今天，集成电路设计与制造的目标仍然是将其电子元件控制在最佳平衡点上。

　　事实上，我并不认为摩尔定律在今天已经不能预测现实了，我认为摩尔定律再次处于一个变革的边缘。

　　芯片制造技术已经取得了长足的进步，最佳平衡点也随之不断提升，集成电路上的元件数量越来越多的同时其制造成本也在降低。在过去的 50 年中，晶体管的制造成本已经从 30 美元下降到了今天几乎不要钱的地步。我想即使是摩尔本人，可能也没有预见到晶体管的成本会有到如此巨大的变化。但是在 1965 年时，他就已经认识到集成电路不会一直这么价格高昂，会有高性能且廉价的组件对于现有的元件进行替代，集成电路的发展趋势是成为性能好、价格低的产品。

　　摩尔定律的三大要素

　　我们回顾了上世纪60年代摩尔定律被提出的时代背景与半导体行业的发展实践，在下面我们将认识影响摩尔定律的三大要素，了解摩尔定律1.0的「扩容」与摩尔定律2.0的「缩减」都是怎么回事。在经过五十年的发展后，摩尔定律今天已经进入3.0时代，也许在不久的将来它会推出历史的舞台，但是它留下来的光辉遗产将会一直影响半导体行业的发展。

　　在摩尔定律被提出十年之后的 1975 年，戈登摩尔重新审视了此前他做出的预测，并且做出了修正。在 1975 年的 IEEE 国际电子设备大会上，摩尔对于此处修正过后的定律做出了解释，其切入点就是解答集成芯片上的元件是如何实现翻倍这一存在于人们心中的疑惑。摩尔指出有三个因素导致了这一趋势：不断缩小的元件体积，不断增长的芯片面积以及「工程智慧」，也就是说工程师们可以减少集成芯片上晶体管之间无用的空间。

　　摩尔认为之所以摩尔定律能够不断被实践所证明，有一半要归功于前两种要素，其他则全是「工程智慧」的功劳。但是摩尔表示一旦英特尔公司所生产的 CCD 内存投入市场之后，工程智慧可能就不再那么需要了。在 CCD 内存中，所有的元件排列的非常紧密，它们之中将不再会存在被浪费的空间。因此摩尔再次预测随着晶体管越来越小，集成芯片越来越大，集成芯片上的元件数量翻倍增长所用的时间将会越来越少。在 1965 年时他曾预测这个数量会每两年增长一倍，现在他将这个速度修正到了每年增长一倍。

　　不过具有讽刺意味的是，由于 CCD 内存被证明很容易出错，所以英特尔公司根本就没有发行该产品。但是摩尔的预测却在逻辑芯片、微处理器的发展中得到了证实，从上世纪七十年代初期开始，这些芯片就已经按照了每两年所包含元件翻一番的速度在发展。而包含了大规模相同晶体管的内存芯片其发展速度就更快了，已经达到了每隔十八个月其包含元件就翻一番的速度，达到这一增长速度大部分要归于其设计工艺更为简单。

　　在影响摩尔定律实现的三个要素中，有一个要素是需要特殊对待的，那就是缩小晶体管的尺寸。至少在可见的一段时间范围内，缩小晶体管的尺寸是必须为之的，在这个问题上不存在权衡问题。根据 IBM 工程师 Robert Dennard 提出的缩放比例定律（译者注：缩放比例定律，随着芯片上晶体管数量的增加，功率密度必须保持不变），新一代的晶体管总是在不断进步。尺寸缩减的晶体管不仅仅是的集成电路可以包含更多的元件，同时也让晶体管本身工作的更快、耗能更少。

　　

　　晶体管的尺寸问题直接影响到了摩尔定律是否能持续发挥作用，在不断发展的过程中，针对晶体管产生了截然不同的处理方法。在被我们成为摩尔定律 1.0 的早期阶段中，集成芯片的性能想要有所提升，通常需要依靠「扩容」——也就是在芯片上添加更多的电子元件。起初，想要实现这一目标看上去比较简单，只要将包含了电子元件的各类应用程序进行可靠且廉价的打包起来就行。但是这种做法的结果是使得集成芯片变得越来越大，也越来越复杂。在上世纪 70 年代初期，为了解决这一问题，微处理器诞生了。

　　不过在过去的几十年中，半导体行业的长足进步主要是由摩尔定律 2.0 推动的。这个阶段被人们称作「缩减」，也就是说在集成芯片上所包含的晶体管数量不变的情况下，缩小晶体管的尺寸并且降低其制作成本。

　　虽然摩尔定律 1.0 时代与 2.0 时代在时间上有所重合，但是在半导体产业的发展过程中可以看出「缩减」相比「扩容」是逐渐占据了主导地位。在上世纪 80 年代到 90 年代初期，半导体技术就发展到了一个关键「节点」上，我们将这一发展时期称为「RAM 时代」，在 1989 年出现了 4M DRAM，而到了 1992 年 16-MB DRAM 也出现了。每一次进化都意味着集成芯片的工作能力变得更强大，因为在不增加成本的情况下单个芯片中所能包含的晶体管变得越来越多。

　　在上世纪 90 年代初期，我们开始更多地依靠「缩减」来革新晶体管。选择这条发展道路是很自然而然的，因为大多数的芯片不再需要尽可能多地包含晶体管。集成电路在此时已经开始被大规模地运用于汽车、电子设备甚至是玩具之中，正因为如此，为了提高集成电路的性能并且降低制作成本，如何减小晶体管的尺寸已经成为了关键问题。

　　最终，即使技术允许，微处理器的体积也不再像之前一样不断扩大。虽然现在的制造技术已经能够实现在逻辑芯片上安放 100 亿个晶体管，但是在实践之中很少有集成芯片会达到这一数值。这在很大程度上来说，是因为集成芯片的设计已经跟不上了。

　　摩尔定律 1.0 至今仍然运用在图形处理器、现场可编程器件以及针对少数超级计算机的微处理器中，但是除此之外，摩尔定律 2.0 已经占据了统治地位。不过时至今日，这个定律继续在发生变化。