守望摩尔定律

摩尔定律的来历

工作在半导体行业的人，可说无人不知摩尔定律(Moore's Law)。笔者在手头一本词典中对摩尔定律的解释大致是：Inte1公司的创办人之一戈登.摩尔(G.Moore)在l965年所作的观察发现，说集成电路上的元器件数量将会以每18个月翻一番的速度稳定增长。并说这个预言因IC的发展而得到证明被誉为“IT业第一定律”，后来，这一定律还经常被用来形容其它高技术超常的发展速度。

集成电路是1958～l959年间发明的，到l965年身任仙童(Fairchild)半导体公司研究开发室主任的摩尔提出所谓摩尔定律时不过六七年的时间，当时集成度仅只30个元器件，世界半导体市场也不过15亿美元。摩尔定律仅是短短几年内摩尔对集成电路生产经验的总结和观察的成果，它不是严密科学的数学公式或物理定律，只是一个大概的发展速度推算，也可说是一种信念。

每18个月翻一番这是最常见的版本，但据国外媒体在2005年纪念摩尔定律40周年的撰文中说，1965年4月摩尔应邀为庆祝《E1ectronics》杂志诞生35周年而发表了题为“Cramming more components on integrated circuits”的文章，对1965～1975年未来10年间的集成电路作了展望，在这里摩尔所表达的时间长度为“每年翻一番”，同时摩尔在这篇文章中指出，“1975年后两年翻一番”，因此这里并没有提及“18个月翻一番”的说法。

倒是同在Intel公司工作的Dave House曾提出，计算机的效率大约每18个月翻一番，摩尔也认为“18个月翻番”的提法应归功于他。那今天通用关于摩尔定律18个月翻番的提法不知是否即由此而来?

摩尔定律首先用于描述集成电路上晶体管数量的增长，但后来又被应用到芯片时钟速度及性能等其它快速增长的领域。摩尔当时也并未看得很远，但令人惊奇的是，40多年来世界半导体业发展的实践证明，大体上是符合摩尔提出的发展趋势的，相当准确。

因此，我们对摩尔的智慧、感悟和谦诚充满了敬佩之情。

摩尔其人

1955年晶体管发明人肖克利(W.B.Shock1ey)创立了半导体实验室(公司)，集成电路发明人之一诺伊斯(R.Noyce)和1954年毕业于加州大学伯克利分校化学专业的摩尔一起投奔了肖克利，但肖克利办公司仍用实验室的一套管理模式，公司很不成功。

因而后被肖克利称为“8个叛徒”(包括上述2人)的8个人，于1957年出走另创仙童半导体公司，1963年摩尔介绍格鲁夫(A.Grove)进入仙童公司。诺伊斯和摩尔二人在仙童公司工作了11年，但是对新公司的管理还不称心，遂于1968年二人带着第一个员工格鲁夫共3人又成立了一家新公司，采用了Integrated Electronics(集成电子)头几个字母，取名Intel(英特尔)公司。

新公司在3位科学家领导下(大体上分工是诺伊斯做公关，摩尔管财务，格鲁夫具体管理)，坚守摩尔定律，把公司发展成了世界第一大半导体公司。虽然科学家创办公司失败的例子居多，而Inte1却在3位科学家“三驾马车”式的领导下(格鲁夫出版了名著《高产出管理》一书)——他们既有科学家的资质，又有企业家的才干，取得了无比辉煌的业绩，十分难能可贵，至今仍是高技术业界经营管理的典范，共同学习的榜样。

摩尔定律的发展

自从出现摩尔定律以后，Intel公司至今一直力挺这条定律，其余半导体厂商也大多以摩尔定律作为公司发展目标， 40多年来世界半导体业无论技术、经济或产品的发展都十分迅速。据报道，Intel公司1971年推出的4004处理器上仅集成了2300个晶体官，而到2004年推出的Itanium2处理器共集成5.92亿个晶体管，33年的年均增长率为46%(见表l)。

从DRAM的存储容量来看，1970年为4kb，2005年达到32Gb，35年的年均增长率为57%(见表2)。

如果从起始年再往前推几年，那增长速度还会进一步提高。当然，比较典型的代表是半导体工艺线宽，1970年为10mm，经过40年到2010年进步到50nm，缩小了200多倍，在2000年前大约每3年革新一代。1970年世界半导体市场约为40亿美元，经过30年到2000年达到2000亿美元，年均增长率14%。

摩尔定律何时告终?

世界万物有始必有终，摩尔定律总有失效的时候。

摩尔本人也坦承：“Something like this can’t continue for ever.”他在2005年纪念摩尔定律40周年时曾说，再过40年后的情况不可想象，但他预想摩尔定律还可存在10年或者20年。

据有关媒体报道，按集成电路的集成度计算，1965～1970年间晶体管数量是每年翻一番，1970～2003年间为1.5～2年翻一番，2003～2009年间2年翻一番，往后将是3年翻一番。工艺尺寸2000年前每3年更新一代，但此后从0.1mm开始变革速度也在放慢。世界半导体市场从1960～1995年的年均增长率高达17%左右，往后将降至个位数，有预测约为6%。一般认为，现在已经由技术推动需求演变为需求牵引技术，例如苹果公司相继成功推出的iPod、iPhone和iPad最具需求牵引技术的代表性。

去年iSupp1i市场调研公司发表了一篇报告声称，作为半导体发展路标的摩尔定律即将于2014年失效，引起了很大反响，议论颇多。摩尔定律已经成功运行了40多年，业界奉为圭臬，主要成功因素之一是加工工艺的不断进步。事实上，在工艺发展过程中摩尔定律遇到过的所谓极限挑战已有3次：1985年后的1mm、90年代后的深亚微米以及进入21世纪后的0.1mm，但都被一一逾越，闯关前进。这次iSuppli公司提出的极限挑战是18nm往后。所举首要原因是制造设备的成本过高，在产品大量生产周期内根本无法补偿。费用之巨大如图1所示，厂商何堪负担?断言摩尔定律将仅归于实验室，不再适于半导体生产行业的经济运行(见表3)。[!--empirenews.page--]

据统计，每一代工艺技术(节点)的(世界)营收，由于新一代技术会带来更殷切的需求，故而在达到顶点后往往迅速下降。图1告诉我们，90nm那一代的营收于2007年登顶后迅即下滑，但65nm代便长得多了，这是因为厂商企图尽量利用既有技术以获得更多的利益，表明工艺进步正由技术驱动改变为经济驱动，工艺进步随之趋缓。

持此看法的不仅有iSupp1i公司，IBM一位资深专家Car1 Anderson在美国举行的国际物理设计大会上也表示，今天摩尔定律已失去了前进动力，行将接近时代终点。他说，每门工业都有自己的飞跃成长时期，铁路在19世纪，汽车在20世纪30～40年代，飞机在超音速以前，这种跃进速度总有一天会走到尽头。半导体工业也不例外，今后也就只有极少数大型公司为发展新一代技术或能承受得起如此巨大的经济负担。

赞同摩尔定律失效之说的日益增多，今天客户并不关心使用的是哪一代新技术，而只要求为他存在的问题提供解决方案。例如，产品性能要好，成本要低，功耗要小，特别要求能够抢先上市，而对摩尔定律失效与否与他无关。

也有人提出，半导体大厂有可能做到不断提供更快、更多、更小、更好的处理器，Inte1的单核处理器Pentium4要不遇到发热问题还会发展，遇阻之后才改而提供多核处理器，Intel的i7和AMD的Phenom11性能都特强，可价格高昂，用户却步，那么快的速度，用来干什么? 实际当今的音视频效果已超过了人们感官的极限，处理器能力已远超网络带宽的需求，几千万像素的数码相机有多大用处? 就说手机吧，中外许多人都还用着2G手机。为什么? 3G还用不着。

展望

摩尔定律曾迅速有力地推动了世界半导体工业的发展，这是不争的事实。人们对摩尔定律怀有深厚的感情，但摩尔定律发现至今已有45年，是否会继续存在下去? Intel公司看来是力挺的，自45nm技术进入大量生产后，22nm技术也已成功开发，在指甲大小的SRAM上集成了29亿个晶体管。

世界首位半导体代工企业——台积电则将从28nm跳过22nm，直接进入20nm技术，争取成为公司未来主流技术。无可否认，单从技术角度讲应该是有可能继续突破的，面临的困难主要在经济上和有无实用的价值。

另一方面，我们看到不仅“摩尔定律失效”之论甚嚣尘上，且不少公司提出了“后摩尔定律”、“新摩尔定律”等等概念，建议不再追求更高效能的单芯片，而是“从更快转向更好”，向多元化和实用化发展，走向创新。

据此观察，未来的技术发展，首先应是多核处理器，人们在工作站上釆用多核处理器以解决性能和功耗问题已经有年，且多核处理器发展很快，今年更是多核SoC发展的转折点。其次是3D(三维)IC，美国SEMATECH(半导体制造技术科研联合体)日前强调，3D IC是世界半导体业继续扩张、提高产品集成度必不可少的新技术，它除了具有高性能、高密度等特性外，还可望达到低成本和小型化。此外，还有开发光互连、配置加速器的处理器和利用新半导体材料，等等。

总之，审时度势，正确对待摩尔定律，采取坚决有力的措施，才能更好、更有利地发展我们的半导体事业!