第349章 摩爾定理
半個世紀以前，一位名為戈登?E?摩爾的年輕工程師在認真審視了他所從事的這個羽翼初豐的行業後，預言了未來10年內將出現的大事件。在專業雜誌《電子學》（Eleics）上刊登的一篇長達4頁的文章中，摩爾對家庭計算機、手機和汽車自動控製係統的未來作出了預言。他在文中寫道，集成電路上的電子元件將會以最經濟的方式整合在一起，並且元件的數目將會每年穩定遞增，而這種現象將不斷地促進現代科學出現奇跡。
10年過後，集成電路的指數級增長——後來被稱為“摩爾定律”——仍沒有終止的跡象。在今天看來，這一定律描述了一段非凡的、長達50年之久的輝煌時光。在這段時間裏，計算機、個人電子設備和傳感器層出不窮。怎樣誇大摩爾定律對人類現代生活的影響都不過分。沒有摩爾定律，現在的我們就不可能坐飛機出行，打電話溝通，甚至不可能啟動洗碗機。沒有摩爾定律，我們也不可能發現希格斯玻色子或創造出互聯網。
然而，摩爾定律究竟所言何物？它何以如此成功？它是否論證了不可阻擋的科技發展趨勢？或者，它是否隻是反映了工程學曆史上的一段獨特時期？正是在這段時間裏，憑借矽晶的特殊屬性和一連串穩步的工程創新，我們才獲得了這幾十年的巨大進步。
我要說的是，摩爾定律所作的任何預測都不是必然會發生的。相反，它隻是對人類智慧、辛勤工作和自由市場激勵機製的證明。摩爾的預言在最初隻是對一個新興行業所作的極為簡單的觀察。但是隨著時間的推移，這個預言卻成為一個滿含期望和自我證明的預言——其實就是一些工程師和公司在發現摩爾定律的效益後，持續不斷地進行的創造。他們一直在努力讓摩爾定律繼續發揮作用，防止自己在競爭中被淘汰出局。
我還要指出的是，盡管摩爾定律一直在不停地被解讀，但它並非是一個簡單的概念。在過去若幹年中，摩爾定律的含義一直在反複變化，甚至目前也仍在演變。如果我們希望從摩爾定律中提取任何有關發展進步的特性以及對未來預言的信息，我們還必須對它作出更深一步的解讀。
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20世紀60年代初期，在矽穀還未成為被人們所熟知的“矽穀”之前，摩爾在仙童半導體公司擔任研發總監。摩爾與其他幾個研究矽電子設備的同事，在一起離開肖克利半導體實驗室後，於1957年共同創立了仙童半導體公司。
仙童半導體公司是當時為數不多的幾家開展晶體管研究的公司之一。而現在，晶體管作為無處不在的開關，大量地（數十億計）被集成在芯片上，用於完成各類計算和數據存儲工作。當時，仙童半導體公司在很短的時間內便發掘到了自己的利基市場。
在當時，大部分電路是靠人工將單個的晶體管、電阻器、電容器和二極管連接在電路板上的。但在1959年，仙童半導體公司的金?赫爾尼（Jean Hoerni）發明了平麵晶體管，這種晶體管是在矽片平麵上加工而成的，而不是采用凸起的矽台麵。
借助這種加工工藝，工程師們可以在晶體管上方用引線將各元件連接在一起，從而在同一片芯片上一次性製作出“集成電路”。德州儀器的傑克?基爾比（Jack Kilby）最先提出了初期的集成方案，利用架在芯片表麵之上的“飛線”將器件連接在一起。但是摩爾的同事羅伯特?諾伊斯（Robert Noyce）卻向世人展示，平麵晶體管也可以像立方塊一樣用來製造集成電路，隻需將晶體管鍍上一層氧化物絕緣層，然後添加鋁來連接器件即可。仙童半導體公司采用了這種新的架構並製造了首批矽集成電路。1961年發布的首款矽集成電路共容納了4個晶體管，這在當時是一項很了不起的成就。到1965年時，仙童半導體公司已準備發布帶有64個元件的芯片了。
掌握了這項技術的摩爾在1965年發表的論文的開篇便作出大膽陳述：“集成電子技術是電子學的未來。”在今天看來，這一聲明已不證自明，但在當時卻充滿了爭議。許多人懷疑集成電路隻能滿足一個小份額市場的需求。
這種懷疑是情有可原的。盡管最初的集成芯片比手工連線的芯片緊湊許多，但它們的成本也高出很多——按照今天的幣值計算，每個元件約為30美元，而獨立元件的成本卻不足10美元。當時市場上隻有幾家公司製造集成電路，而它們真正的客戶也隻有NASA和美國軍方。
而晶體管性能尚不可靠這一不爭事實讓問題變得更為嚴重。在當時製造出的單個晶體管中，隻有一小部分——摩爾後來回憶指出，隻有百分之十至二十——能夠真正發揮作用。將這樣的六七個器件一起放在集成電路中，你一定會認為這些小問題會疊加，導致隻有極少數的芯片能夠正常使用。
然而，這一邏輯卻是錯誤的。事實上，在製造含有8個晶體管的芯片時，能夠正常使用的芯片比例與製作8個單個晶體管時的可使用比例是相近的。原因在於這種概率並不是針對單個晶體管而言的。缺陷會占用空間，而多種類型的缺陷會像飛濺的油漆一樣隨機分布。如果將兩個晶體管緊密地放置在一起，單個晶體管自身的缺陷便可以同時影響兩個晶體管。因此，將兩個晶體管並排放在一起時由缺陷導致的失效風險與單獨一個晶體管是相同的。
摩爾確信，最終一定能夠證明集成工藝是經濟合算的。在1965年發表的論文中，為了證明集成電路擁有無限光明的未來，摩爾在一幅曲線圖中按照先後順序繪製了5個時間點。第一個時間點是仙童半導體公司首款平麵晶體管問世，隨後是公司的一係列集成電路產品推出的時間。摩爾采用的是半對數曲線圖，其中一個軸是分度不均勻的對數坐標軸，另一個軸是分度均勻的普通坐標軸。指數函數在這種坐標圖中會被顯示為直線。而摩爾所畫的，連接這5個時間點的線大約是一條傾斜的直線，其傾斜度恰好對應集成電路上每年翻倍的元件數量。
從這條小小的趨勢線出發，摩爾作出了大膽的推斷：這種翻倍現象將繼續維持10年。他預測，到1975年時，集成電路上的元件數量可以從64個增加至6.5萬個。實際上，摩爾的推測幾乎完全正確。摩爾於1968年離開仙童半導體公司，並與別人共同創立了英特爾公司。而英特爾公司在1975年所籌備推出的一款電荷耦合器件（CCD）存儲芯片中，大約有3.2個萬元件——僅比摩爾的千倍增長預測結果少了一半。
在回顧這篇令人矚目的論文時，我要指出幾個經常被人們忽略的細節。首先，摩爾預測的是電子元件的數量——而不僅僅是晶體管或其他器件（例如電阻器、電容器、二極管）的數量。許多早期集成電路上所含有的電阻器數量的確要比晶體管多。後來，較少依賴非晶體管元件的金屬氧化物半導體（MOS）線路問世時，數字時代才真正開啟。晶體管開始發揮主導作用，它們的數量就成了衡量集成電路複雜性的更為有效的指標。
這篇論文還展現了摩爾對集成工藝經濟性的關注。他所定義的每個芯片上的元件數量並非最大值或平均值，而是當每個元件的成本達到最小值時的元件數量。他已經認識到，一個芯片上能夠集成的元件數量和具有經濟意義的元件數量並不一定等同。相反，每一代芯片加工技術都存在一個“最佳狀態點”。芯片上的元件越多，單個元件的成本便會越低。但是當超過一個臨界點之後，在既定空間內集成更多的晶體管將會增加出現致命缺陷的可能，並降低有效芯片的產出率。從該臨界點開始，每個元件的成本將開始升高。集成電路設計和生產的目標便是——現在仍舊是——達到這個最佳狀態點。
隨著芯片加工工藝的改進，達到最佳狀態點時的元件數量已越來越多，每個元件的成本也越來越低。在過去50年裏，晶體管的成本已經從30美元（按照現在的幣值計算）下降到十億分之一美元左右。摩爾幾乎未能預測到如此大的降幅。但是，早在1965年，摩爾就已意識到，集成電路作為分立元件的替代品，將從高成本、高性能轉變為低成本、高性能。無論是性能還是經濟方麵，都更傾向於集成工藝。
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10年之後，摩爾重溫並修正了他曾經的預言。在他為1975年的IEEE國際電子器件會議所做的分析報告中，摩爾首先解答了元件數量翻倍如何實現的問題。他提出，這一變化趨勢是由3個因素決定的：越來越小的元件尺寸、不斷增加的芯片麵積和“器件精明性（devicecleverness）”，即工程師能夠縮小多少晶體管之間的未使用麵積。
摩爾認為，呈現翻倍趨勢有一半是因為前兩個因素，另一半則應歸功於“精明性”。但是對於英特爾公司當時正準備發布的CCD存儲器，他認為精明性將很快不再發揮決定性作用。在CCD陣列中，所有器件均密密麻麻地排列成緊密的網格狀，已經沒有多餘空間可進一步節省。於是，摩爾預言，未來的翻倍趨勢很快將隻受兩個因素驅動：更加微小的晶體管和更大麵積的芯片。而後果便是翻倍速度將減半，元件數量從每年翻一倍減緩為每兩年翻一倍。
具有諷刺意味的是，事實證明CCD存儲器太容易出現故障，因此英特爾公司並未發布該產品。盡管如此，摩爾的預言卻在邏輯芯片上得到了驗證。以微處理器為例，自20世紀70年代起，微處理器上的元件數量便一直在以每兩年翻一倍的速率增加。而帶有由完全相同的晶體管組成的大規模陣列的存儲芯片則增速更快一些，每隔約18個月，元件數量便會翻倍，其主要原因是這種芯片的設計更為簡單。
在摩爾確定的3個技術驅動因素中，有一個變得極為特殊：縮小晶體管的尺寸。至少在一段時間內，縮小MOS晶體管——我們現在仍在使用的矽柵晶體管——的尺寸的確能夠實現工程領域內極少出現的一項成就：無須權衡取舍。按照以IBM工程師羅伯特?登納德（RobertDennard）命名的度規法則，後繼一代的晶體管性能總是比前一代更加優越。晶體管尺寸的不斷縮小不僅可令一塊集成電路上容納的元件數量更多，也讓晶體管的運行速度更快，耗電量更低。
摩爾定律之所以能夠持續有效，在很大程度上便是由這個因素單獨決定的，而且在摩爾定律演化的兩個不同時期，它一直在發揮作用。在初期，我稱之為“摩爾定律1.0”的那個階段，進步都是通過“按比例增加”實現的，即在一塊芯片上增加更多的元件。最初，這樣做的目標隻是吞並既有應用的分立元件，將它們打包成一套可靠且價格低廉的組件。其結果是芯片的麵積越來越大，且越來越複雜。在20世紀70年代早期問世的微處理器就是這個階段的典型例證。
但在過去幾十年裏，半導體行業的進步開始由摩爾定律2.0主導。這個時代的主題已經成為“按比例縮小”，即便每塊芯片上的晶體管數量不再增加，晶體管的尺寸仍在繼續縮小，成本也在不斷降低。雖然摩爾定律1.0和2.0時代略有重疊，但從半導體行業的自身發展情況便可以看出“按比例縮小”和“按比例增加”各自的主導時期。在20世紀80年代以及90年代初期，定義行業進步的各代技術（或稱“節點”）是按照動態RAM的不同係列劃分的：例如1989年時，我們是以4兆字節（MB）的DRAM為節點；1992年則是16MB。隨著同一塊芯片上容納的晶體管數量越來越多而成本並未增加，新一代產品意味著芯片的處理能力越來越強。
到了20世紀90年代初期，我們已經開始根據製造晶體管的細微化特性命名我們所處的節點。這一切都是水到渠成的。大部分芯片並不需要容納盡可能多的晶體管。集成電路的應用領域開始激增，從汽車、設備器械到玩具，簡直無所不包。在這個過程中，晶體管的大小——代表著芯片的性能和成本效率——開始成為更具意義的衡量指標。
最終，即便是微處理器也停止了這種在加工技術允許的條件下盡可能快的增容趨勢。現在的加工工藝已經允許人們以經濟節省的方式在一塊邏輯芯片上放置一百多億個晶體管。但是目前隻有少數幾款芯片在元件數量方麵能夠接近這一數值，主要原因在於我們的芯片設計水平跟不上。
目前，摩爾定律1.0對於高端圖形處理器、現場可編程門陣列以及極少數用於超級計算機的微處理器而言仍舊有效。但在其他方麵則是摩爾定律2.0占據主導地位。如今，摩爾定律再一次進入了變化過程。
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發生改變的原因在於微型化的優勢正在逐漸消退。變化過程始於21世紀初，當時一個令人不快的事實正開始顯現。那時，晶體管的尺寸已經縮小到100納米以下，登納德的簡單度規法則達到了極限。晶體管的尺寸已小到器件本應關閉的時候也極易逸出電子，導致了能源漏損，器件可靠性下降。盡管采用新的材料和加工工藝有助於解決這一問題，但工程師們還是被迫停止采用大幅降低供給晶體管電壓的做法，以便確保電鉗足夠堅固。
由於登納德度規法則的分崩離析，現在的微型化工藝充滿了各種權衡取舍。一味縮小晶體管尺寸已不再意味著更快的速度和更高效的性能。實際上，對於今天的晶體管而言，在縮小尺寸的同時想要維持其前一代產品的速度和耗電量都已十分困難。
因此，在過去10年左右的這段時間裏，摩爾定律在更大程度上是關乎成本的闡述，而非性能；我們製造尺寸更小的晶體管隻是為了降低成本。但是，這並不代表目前的微處理器不及5或10年前的同類產品。這些年裏，產品設計一直在不斷進步。但是，絕大部分性能方麵的進步還是源於更加低廉的晶體管所實現的多核集成。
一直以來，摩爾定律始終在強調經濟學方麵的意義，原因就是該定律中一條非常重要但從未被廣泛認可的內容：隨著晶體管的尺寸越來越小，我們能夠一直將每平方厘米成品矽片的製造成本年複一年地（至少到目前為止）維持在同一水平。摩爾所定義的這一成本約為每英畝十億美元——雖然芯片製造商們幾乎從未將英畝作為芯片麵積的衡量單位。
將成品矽片的成本維持幾十年不變並非易事。芯片的產出率一直在穩步提升，已經從20世紀70年的百分之二十左右提高到現在的百分之八九十。與此同時，矽晶片（最終被切割成芯片的圓形矽片）的尺寸也越來越大。尺寸的不斷增大降低了大部分加工步驟的成本，例如在整個矽晶片上一次性完成的沉積和刻蝕環節。而且至關重要的是，設備生產率也得到了迅速提升。現在，光刻技術（用於製作晶體管以及晶體管之間連線的排列樣式的印刷技術）所采用的工具的成本已經是35年前的100倍。但這些工具刻蝕矽晶片圖案的速度也已經是過去的100倍，這在抵消了成本增長的同時又實現了更佳的分辨率。
產出率提高、矽晶片麵積變大以及設備生產率上升這3個因素使芯片製造商在過去幾十年裏得以製造出元件排列越來越密集的芯片，同時又使單位麵積的成本近乎不變，而每個晶體管的成本不斷下降。但是，這一趨勢可能會在目前終止，其主要原因就是光刻技術已變得更為昂貴。
在過去10年中，印刷細微結構方麵的困難使得成品矽片單位麵積的製造成本以每年百分之十的速度遞增。由於每年每個晶體管的麵積會比去年同期縮小百分之二十五左右，每個晶體管的成本仍會逐年遞減。但是，當抵達某個臨界點時，製造成本的增加速度會超過晶體管成本的下降速度，從而導致下一代晶體管的成本高於上代產品。
如果光刻技術的成本快速攀升，我們所熟知的摩爾定律一定會很快失效。而且現在已經有跡象表明摩爾定律的終結將很快到來。目前的高級芯片均采用浸沒式光刻工藝製成，該工藝是將水浸的矽晶片曝露於波長為193納米的深紫外光線下進行圖案刻蝕。按照規劃，下一代光刻工藝會采用波長更短的極紫外光。然而，這項本應在2004年就投入使用的技術在實際應用中卻被一拖再拖，因此芯片製造商們不得不采用一些權宜之計，例如雙重圖形光刻。所謂雙重圖形光刻就是重複進行某些步驟以打造最為精細的元件結構。雙重圖形光刻工藝耗費的時間是單次圖形光刻的兩倍。盡管如此，芯片製造商們仍在考慮采用三重甚至四重圖形光刻，而這些做法無疑會進一步提高製造成本。若幹年後，當我們回顧2015年時也許會將其視為轉折之年，晶體管的成本從這一年開始停止下滑，轉而節節攀升。
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我因曾在光刻技術會議上大膽宣告摩爾定律即將失效而被業界熟知。然而，真正的事實卻是，我並不認為摩爾定律會就此消亡。相反，我倒認為這一定律即將再次發生演變。
未來，半導體行業的創新將繼續下去，但這些創新並不會係統性地降低晶體管的成本。相反，半導體行業的進步將以新形式的集成來定義，即將每種芯片的不同功能集成在一起，降低整個係統的成本。這聽上去也許與摩爾定律1.0時代非常相像，但屆時我們要做的並非把不同的邏輯電路整合在一塊更大麵積的芯片上，而是將長久以來都與矽晶芯片相互分離的非邏輯功能並入芯片之中。
這方麵的一個早期範例便是現代手機的攝像頭，這種攝像頭通過直通矽晶穿孔技術將圖像傳感器直接合並在數字信號處理器中。除此之外，後續還會有其他的範例不斷湧現。芯片設計者才剛剛開始探索如何集成微機電係統，這類係統可用於製造袖珍加速器、陀螺儀，甚至還有繼電器邏輯電路。同樣，用來開展生物鑒定和環境測試的微流體傳感器亦能夠集成在芯片中。
所有的這些技術都能夠讓我們把一塊數字互補金屬氧化物半導體（CMOS）芯片與外部的模擬世界直接連接起來。如果新的傳感器和驅動器能夠充分利用矽晶加工中極為常見的低成本大批量生產工藝，這將會產生巨大的經濟影響。
然而，從經濟角度而言，這個摩爾定律再次發揮作用的新階段——我將其稱為摩爾定律3.0，而半導體業界則稱之為“擴展摩爾定律”——卻可能沒什麽意義。將非標準化元件集成到芯片上會催生眾多激動人心的新產品和新功能，但這種做法卻沒有規律且可預測的後續成功路線圖。
未來的發展之路將會更加黯淡無光。在芯片上增加一項新的功能也許會讓一家公司當即賺得盆滿缽滿，但我們無法確保再增加另外一項功能會讓這家公司在未來繼續盈利。鑒於未來的輸贏還是一個巨大的變數，對於一些老牌半導體公司而言，當前這個過渡時期無疑是非常痛苦的。
即便如此，我還是認為摩爾定律3.0是這條定律迄今最令人興奮的一個演繹版本。一旦拋開對可輕易量化的進步的預期，我們便能夠迎來層出不窮的創意應用，例如可以與身體無縫對接的仿生義肢、可以測試空氣或水的智能手機、能從周圍環境能源中獲得動力的袖珍傳感器以及大量我們還想象不到的應用。如我們所知，摩爾定律也許即將走向終結。但是，在它的基礎上衍生出來的種種定律將推動我們在未來很長一段時間內繼續前行。