摩尔定律 vs 功能密度定律

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摩尔定律 VS 功能密度定律

众所周知，随着IC工艺的特征尺寸向5nm、3nm迈进，摩尔定律已经要走到尽头了，那么，有什么定律能接替摩尔定律呢？这就是我们今天要提出的：“功能密度定律-Function Density Law”，简称“FD Law”。首先，让我们回顾一下摩尔定律。

1. 摩 尔 定 律

摩尔定律（Moore's Law）是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）于1965年提出来的，至今已有55年。

摩尔定律内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。总得来说，摩尔定律有以下三种说法：
1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18-24个月就翻一番。2、微处理器的性能每隔18-24个月提高一倍，而价格下降一倍。3、用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18-24个月翻两番。以上几种说法中，以第一种说法最为普遍，第二、三两种说法涉及到价格因素，其实质是一样的。三种说法虽然各有千秋，但在一点上是共同的，即"翻番"的周期都是18-24个月，至于"翻一番"（或两番）的是"集成电路芯片上所集成的电路的数目"，是整个"计算机的性能"，还是"一个美元所能买到的性能"就见仁见智了。这一定律揭示了信息技术进步的速度，尽管这种趋势已经持续了超过半个世纪，摩尔定律仍应该被认为是观测或推测，而不是一个物理或自然法。摩尔定律到底准不准？让我们先来看下面一张图，从图中可以看出，采样点基本位于曲线的附近，可以看出摩尔定律基本上还是准确的。

摩尔定律并非数学或者物理定律，而是对发展趋势的一种预测，因此，无论是文字表述还是定量计算，都应当容许一定的宽裕度。从这个意义上看，摩尔的预言是相当准确了，所以才会被业界人士的公认，并产生巨大的反响。"摩尔定律"的终结摩尔定律问世至今已55年了，我们知道：芯片上元件的几何尺寸总不可能无限制地缩小下去，这就意味着，总有一天，芯片单位面积上可集成的元件数量会达到极限。从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。一旦芯片上特征尺寸达到1纳米时，相当于只有5个硅原子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，摩尔定律也就要走到它的尽头了。

2. 功能密度定律

既然摩尔定律已经要走到尽头了，就需要有一个新的定律来接替摩尔定律，有什么定律能接替摩尔定律呢？

这就是我们今天要提出的：“功能密度定律”(Function Density Law)。

功能密度定律：对于所有的电子系统来说，沿着时间轴，系统空间内的功能密度总是在持续不断地增大，并且会一直持续下去。

Function Density Law：For all electronic systems, along the time axis, the function density in system space is constantly increasing and will continue.

下图为功能密度定律的曲线描述：

从以上曲线可以看出，电子系统的功能密度会随着时间延续而持续地增长，其增长的快慢在不同的历史时期会有所不同，如果有新的技术的突破，其增长的就会比较快，如果没有新技术突破，其增长则会比较缓慢，但总的趋势是不断增长。

要理解功能密度定律，首先我们要理解什么是功能密度？功能密度：单位体积内包含的功能单位的数量称为功能密度。Function density: The number of Function UNITs contained in a unit volume is called function density.功能密度中的关键词是功能单位，那什么又是功能单位（Function UNITs）呢？我们需要了解一下电子系统的6级功能分类。
电子系统6级分类法：

6-levels classification of electric system:

1. 功能细胞，Function cell（FC)，功能细胞是电子系统组成的最小功能单位，不可拆分，如果拆分，功能则会丧失，不可恢复，例如晶体管Transistor，电阻、电容、电感等都是功能细胞。

2. 功能块，Function block（FB)，功能块由功能细胞组成，具有一定的逻辑功能，例如，6个Transistor可以组成一个SRAM存储功能块，1个Transistor和1个电容可以以组成一个DRAM存储功能块，4个MOS管可以组成一个与非门或者或非门。功能块是具有特定功能的功能单位。

3. 功能单元，Function unit（FU)，功能单元由功能块组成，可以完成复杂功能的功能单位，例如算术逻辑单元（ALU)，输入输出控制单元（IO Control Unit），中央处理单元（CPU）等，计算机的处理器，DSP，FPGA，存储器等都可以归属于功能单元这一级别的功能单位。

4. 微系统，Micro System（MS)，到这一级别，我们开始定义系统的概念，微系统可以独立完成系统功能，并且体积较小，通常并不直接和最终用户打交道，例如SiP, SoC，SoP等，微系统通常可由功能单元、功能块或者功能细胞组成。

5. 常系统，Common System（CS)，也可称之为常规系统，顾名思义就是常人能接触到的系统，一般是指和最终用户直接打交道的系统，这里的最终用户指的是人。例如手机，电脑，家用电器等都可称为常系统，常系统通常由微系统、功能单元组成；

6. 大系统，Giant System（GS)，一般是指复杂而庞大的系统，例如无线通信网络系统，互联网系统，载入航天系统、空间站系统等，大系统通常由常系统、微系统等组成。
   
   

在以上的定义中，功能细胞(FC)，功能块(FB)，功能单元(FU)，都可以称之为功能单位（FUs)，它们分别属于不同级别的功能单位。

我们再回顾一下功能密度的定义：

单位体积内包含的功能单位的数量称为功能密度。这其中的功能单位（Function UNITs）可以是：功能块（Function Block），功能细胞（Function Cell）或者功能单元（Function Unit）。

需要读者注意的是：在进行同一类型系统的功能密度比较时，需要采用相同级别的功能密度定义。例如，系统A、B、C的功能密度进行比较，A采用功能块（Function Block）作为功能单位来定义功能密度，则B和C同样需要采用功能块（Function Block）作为功能单位来定义功能密度。

3. 功能密度定律的意义

如果将功能密度定义中的功能单位具体为功能细胞（Transistor），并将其空间二维化，将其时间具体化，那么，功能密度定律就会缩化为摩尔定律。

如果将集成电路上的晶体管集成从二维平面扩展为三维空间，将晶体管扩展为功能单位，并将时间由具体变为趋势化，那么，摩尔定律就会扩展为功能密度定律。

我们也可以这么理解，对于电子系统的集成来说，摩尔定律是功能密度定律的在集成电路上特例，而功能密度定律则是摩尔定律在整个电子系统的扩展。

也许会有人问，为什么功能密度定义时用的不是确定的功能单位，而是三个层次的功能单位（功能块FB，功能细胞FC，功能单元FU）呢？这是由于功能本身的复杂性和不确定性。

例如，新技术的发展，功能块的结构发生了进化，仅需要更小的功能块（Function Block) 就可以实现同样的功能，这样，即使最底层的功能细胞（Function Cell）Transistor的数量没有变化，其功能密度也同样是增加的。

比如我们通常用的SRAM需要6个晶体管（Transistor）可以实现一个存储单元，称为6T，一种新技术的出现据说可以用1个晶体管实现一个存储单元，称为1T，这样，即使单位体积内的晶体管数量不变，其功能密度却增加了6倍。

以此类推......

4. 小结 和 展望

功能密度定律预测了电子系统集成的趋势，并将成为判断电子系统先进性的重要指标！

摩尔定律是关于人类创造力的定律，实际上是关于人类信念的定律，当人们相信某件事情一定能做到时，就会努力去实现它。摩尔当初提出他的观察报告时，实际上是给了人们一种信念，使大家相信他预言的趋势一定会持续。

功能密度定律同样是关于人类创造力的定律，也是关于人类信念的定律，当人们相信电子系统空间内的功能密度一定能会持续增加时，同样会努力去实现。

功能密度定律（Function Density Law，简称FD Law）是作者Suny Li（Li Yang）于2020年1月20号在本文中首次正式提出。在此之前，作者经历了20年的电子系统设计，积累了丰富的项目经验，并且通过了长久的分析和思考而得出。功能密度定律（FD Law）会不会像摩尔定律（Moore's Law）一样，成为电子系统集成的最重要定律呢？

现在，我们还不急着给出定论，等十年以后的2030年我们再看吧！

不再纠结于二维平面尺度上晶体管的缩放，而把思维投入到更广阔的空间，从多维度的集成，从结构化的创新，从更灵活的尺度去评判，去发展！

理解并运用功能密度定律，你就不会再纠结摩尔定律的终结，因为新的空间已经为我们打开，并且更为广阔！

正如人们常说的：“山重水复疑无路，柳暗花明又一村！”

功能密度定律是作者在本文首次提出，或许还有其不完善的地方，也欢迎大家留言讨论！

2020 0120

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