| 出版日期：2005-04-11 总期号：1402 本年期号：25 |
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摩尔定律风雨40年
编者按 20世纪60年代，半导体业正处于发展初期，庞大的电子电路，像房间一样大的计算机系统。这个时候，摩尔定律出现了。它指出，随着晶体管工艺的不断提高和晶体管体积逐年的减小，集成电路的集成度每年都会翻一番，也就是说半导体元件的性能和功能将会以几何级数逐年递增并且一直持续下去…… 就是这个摩尔定律，指引了40年来全球半导体业的发展！ 由于摩尔定律，半导体集成电路开始得到广泛应用。在摩尔定律的指引下，半导体集成电路也进行着制造工艺、集成元件数量、单位成本、所提供的性能等要素之间的博弈。这种博弈，带动了半导体业的飞速发展。 40年前，《电子杂志》（Electronics Magazine）向当时供职于仙童公司的英特尔创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）约稿，希望摩尔先生能为他们写一篇关于半导体工业未来发展的文章。 1965年4月19日，《电子杂志》上刊发了一篇名为《Cramming More Components Onto Integrated Circuits》的文章，在这篇文章中摩尔先生总结了过去几年集成电路的发展情况，然后大胆预测了半导体工业的发展速度：由于晶体管工艺的提高，晶体管体积逐年的减小，集成电路的整合度每年都会翻一番，也就是说半导体元件的性能和功能将会以几何数字逐年递增并且一直持续下去…… 这就是在以后的40年中神奇地支持着半导体工业发展的摩尔定律（Moore’s Law）。 1975年，摩尔对于摩尔定律进行了更加精确的修正：半导体集成电路的密度以及性能，每两年翻一番。同牛顿定律不同，“摩尔定律”并非自然科学定律，而是一条融合了自然科学、高技术、经济学、社会学等等学科为一体的多学科、开放性的规律。“摩尔定律”所带来的经济学效益，已经完全成为了英特尔公司发展的潜在规则。 半导体的世界中，越小的就是越好的。在摩尔定律的激励下，英特尔已经投入量产应用的制程技术可以印制出比病毒还小的电路——比人类的头发细1000倍，同5个原子的高度差不多。 半导体的世界中，越多的就是越好的。英特尔半导体芯片的复杂程度持续攀升：摩尔发表摩尔定律的时候每个集成电路中包含大约60个电子元件，而现在最新的英特尔安腾处理器中集成了17亿个晶体管！ 半导体的世界中，越便宜的就是越好的。在1968年，集成电路中平均每个晶体管的成本是1美元，截止到2004年，每个晶体管的成本不超过0.000001美元——这个价格同在报纸上印制一个单词的成本差不多。 性能的提升、功能的增加、成本的下降，使得半导体芯片应用到了广泛的领域中：从数字电话到个人电脑到股票交易所到太空飞船。而驱动这一切的都是40年前，发表在《电子杂志》第114页的那篇文章…… 
1975年的摩尔 
1994年的摩尔 1965年问世不在经意间 传说中是这样：1965年的一天，摩尔在一张纸上画了个草图，纵轴代表集成电路，横轴为时间，结果是一条很有规律的几何增长曲线。杜撰这个故事的人，也许希望让人们再次相信苹果从树上落下来敲醒了牛顿的故事。实际情况是否真的是这样，我们不敢肯定，但可以肯定的是杜撰故事的人应该没有看过摩尔先生1965年发表在《电子杂志》的上那篇文章。 在《Cramming More Components Onto Integrated Circuits》中，摩尔首先憧憬了半导体集成电路的未来，其中甚至提及了Home Computer。当时的分离元件组成的集成电路虽然简单，但是成本高昂，也只有军方能够使用这些产品。摩尔看到了硅元素分布广、价格便宜的特性，认为半导体集成电路将会因为稳定、设计成本低、价格便宜而在未来被广泛应用。 1965年，摩尔定律刚刚发表的时候，集成电路的发展不过几年，应用并不广泛。很多设计师还在沿用着电子管设计电路的思路，认为半导体工业也不过就是能提供替代电子管的晶体管而已。摩尔当时则预见到了半导体工业的未来是集成电路，集成电路中包含越多的元件（摩尔始终使用的是Component，它指的是集成电路中的晶体管、电阻、二级管和电容等所有的部件，并非单独指的Transistor），单位成本就越低。 可以有效地降低成本是集成电路的最大魅力，而且随着产量的提高和集成度的提高，成本会进一步的降低。而且在当时的生产技术条件下，集成电路中集成的元件数量同单位成本基本上成反比，如果集成电路过于复杂，超出了当时生产条件的允许，那么单位成本会不降反升。 在摩尔绘制这张图之前，首先确定了当时每元件最低成本的集成电路，比如1962曲线的最低点其实是1959年发布的第一颗平面型晶体管（Planar Transistor），它后来的确被应用到实际的集成电路中。1965年曲线的最低点是仙童公司于1965年发布的“Micrologic”芯片，它包括了50～60个元件。 从摩尔曲线上可以看出，1962年生产集成度为10～20左右的集成电路是成本最低的，单位成本9000～10000美元，而生产集成度为5个或者50个左右的集成电路是最昂贵的，单位成本可能突破50000美元。1965年，生产包含50～60个元件左右的集成电路成本最低，单位成本只有800美元左右。根据这个趋势，摩尔推断5年之后，也就是1970年，每个集成电路可以包含1000个左右的元件，成本只有1965年的十分之一左右。 摩尔这样写道：这个趋势至少会保持10年，10年之后未知的因素太多，无法预料。如此推断到1975年，单位成本最低的集成电路的集成度大约是65000个。 取半对数之后，就得到了一条比较直观的曲线，这条曲线明确了摩尔定律：集成电路的复杂程度每年会翻一番。摩尔把直线延长到1975年，按照过去几年的发展趋势推测了未来10年半导体集成电路的发展趋势。他推断到1975年的时候，每元件最低成本的集成电路能包括64000个元件。（见附图） 摩尔30年后补充说道，“我并不希望这个推论有多么的精确，我只是试图让人们知道未来半导体技术是什么样子的，希望我们能向着这个目标而努力。” （E2） 
图 1集成电路的复杂程度每年会翻一番 
年轻时代的摩尔，发表摩尔定律的时候，任仙童半导体公司技术部经理。 
这是1965年的一天，摩尔画的一个草图，纵轴代表集成电路，横轴为时间，这条很有规律的几何增长曲线就是有名的摩尔定律。它所表示的含义是：随着半导体产量的提高和集成度的提高，成本会进一步的降低。而且在当时生产技术条件下，集成电路中集成的元件数量同单位成本基本上成反比，如果集成电路过于复杂，超出了当时生产条件的允许，那么单位成本会不降反升。 中英对照学定律 摩尔定律带给我们什么 
Because electricity travels a shorter distanceuin a smaller transistor,smaller transistors mean faster chips.It would take you about 25,000 years to turn a light switch on and off 1.5 trillion times,but intel has developed transistors that can switch on and off that many times each second. 晶体管体积越小，电路就越短，晶体管切换速度就越快，如果我们要开关电灯的电源开关1.5兆次，需要至少2.5万年，而英特尔最快的晶体管每秒钟可以切换3000兆次！ 
In 1978,a commercial flight between New York and Paris cost around $900 and took seven hours,if the principles of Moore’s Law had been applied to the airline industry the way they have to the semiconductor industry since 1978,that flight would now cost about a penny and take less than one second. 1978年，从纽约飞到巴黎需要900美元的费用还要花费7个小时，如果飞行速度也按照摩尔定律发展的话，现在我们飞行同样的距离，只要花费1美分，需要的时间不超过1秒钟。 
Gordon Moore estimated in 2003 that the number of tran sistors shipped in a year had reached about 10,000,000,000,000,000,000(1018).That’s about 100 times the number of ants estimated to be in the world. 2003年销售的半导体产品包含至少1018个晶体管。这个数量大约是世界上蚂蚁数量的100倍！ 
A chip-making tool under development superimposes magnetically livitated images within a tolerance of 1/10,000 the thickness of a human hair a feat equivalent to driving a car straight for 400 miles while deviating less than one inch. 正在开发中的芯片制造工具的误差，同人类头发厚度的万分之一相当，这就相当于在直路上开车400英里，方向偏离不超过1英寸。 
The price per transistor on a chip has dropped dramatically since intel was founded in 1968.Some people estimate that the price of a transistor is now about the same as that of one printed newspaper character. 1968年，英特尔公司创立以来，晶体管单位成本直线下降，现在每个晶体管的成本同在报纸上印刷一个单词差不多。 1975年 从每年翻番到两年翻番 在1975年IEEE组织的IEDM会议上，戈登·摩尔发布了题为《Progress In Digital Integrated Electronics》文章，它被收录于IEDM Tech Digest p.11～13。 在文章的开头，摩尔再次用事实印证了10年前的观点：自集成电路出现以来，集成电路的复杂程度每年都会翻一番。实现某功能的成本也随之快速下降，集成系统的性能和可靠性明显提升。 同时，摩尔还根据过去16年中最复杂的半导体集成电路芯片面积的变化画出了曲线。可以发现，从1959年到1975年，集成电路的复杂程度增加了65000倍，而面积仅仅增大了20倍左右。这说明，这些年的发展中，晶体管以及相关电路也在不断地缩小—1961年集成电路中的线宽为25微米左右，而1975年的线宽只有5微米。摩尔认为，促进集成电路的一些因素正在弱化，所以修正了未来10年的摩尔曲线。在后面我们会讨论哪些因素影响着摩尔定律。 新的曲线的曲率大致代表每两年半导体芯片的集成度增加一倍。根据这条曲线，摩尔预计1985年的时候，半导体芯片将会包括大约几百万个晶体管。未来的10年内，半导体芯片的成本将会持续下降，而且应该范围也会越来越广阔。 (E2) 
图 2 横轴为时间，纵轴为每芯片包含的元件个数，图中四种产品都基本上遵循摩尔定律。 
图3 修正的摩尔定律曲线，修正后，芯片集成度增长的速度放缓。 1995年 谁违反了墨菲法则 在1995年的SPIE（The International Society for Optical Engineering）会议上（也就是摩尔定律发布30年之后），戈登·摩尔站在了新的高度重新审视摩尔定律，并且用这30年的实际情况来验证它，这期间，摩尔对于摩尔定律当时的情况做了更多说明，然后继续对半导体工业的发展趋势做出了预测。 在1995年的这次会议上，摩尔解释了为什么第一颗平面型晶体管的直径是764微米这个比较奇怪的尺寸。这主要是因为半导体工业是以英制为单位进行测量的，764微米正好是千分之三十，也就是30mil。集成电路中最细的部分是金属导线，是3mil。金属导线之间的距离是5mil，允许误差为2.5mil。基于这种晶体管的最早的整合电路中包括了4只晶体管和6只电阻，由于封装技术的限制，本来设计的8条引脚最后只能实现6条。 在1975年，IEEE IEDM会议期间摩尔对于摩尔定律进行了修订，而且分析了各种影响摩尔曲线的因素。集成电路核心的尺寸越来越大，也帮助提升了集成电路的复杂程度。光学投影技术逐渐取代接触式印刷技术，则进一步提高了产能。 除了增加半导体集成电路的尺寸之外，不断的优化结构降低每个元件的尺寸也能明显地提升集成电路的复杂程度。集成电路芯片的面积同密度是倒数关系。 更大集成电路芯片尺寸、更优化的集成电路元件尺寸可以明显地促进集成电路的复杂度，但是被摩尔称为“Cleverness”的因素也会明显地影响集成电路的复杂程度。 1975年，最复杂的集成电路芯片是16k CCD内存芯片，它内部元件的排列非常规则，基本上没有变更的余地，只能依靠集成电路体积的增大和元件本身体积的缩小来实现。 由于缺少了一个比较重要的推动因素，摩尔修正了曲线的斜率，推断未来的半导体集成电路的复杂程度将会以每两年增加1倍的速度发展。摩尔承认自己并没有意识到半导体集成电路的发展速度在当年已经放缓，因此认为1975～1980年间将是过渡期，这样导致了摩尔对于未来10年的半导体工业的发展预期有些超前。 导致摩尔预期出现偏差的，主要是当时的CCD内存的发展。当时16k已经上市，英特尔公司准备发布64k的产品，256k的产品也在开发中，这使得摩尔认为从1975年到1980年期间，摩尔曲线还是按照每年翻一番的斜率发展。 摩尔正确预见了1975年到1980的趋势，基本上还是按照每年翻一番的趋势增长。（特别需要说明的是图3中指的是Transistors，而不再是Components）。不过由于CCD内存退出，原来的发展曲线无以为继，DRAM内存直接按照较为缓慢的发展曲线继续。现在看来，摩尔准确地预见了20世纪60～80年底的发展趋势。 摩尔先生没有表现出同SIA一样的乐观，他认为当制程精度高于0.2微米之后，将需要借助于光蚀刻技术，所面临的技术难关将非常多。更要命的是，这些年来用于生产半导体集成电路芯片的印刷制版设备的价格也在以指数的速度增长。 1968年，英特尔成立之初，一套生产设备只要花费12000美元，20年后我们购置一套现代的生产设备需要1200万美元。现在的设备处理晶元（Wafer）的速度并没有变，只是每个晶元的面积增大了，当初的晶元的直径是2英寸。 此时，摩尔表示再根据以往的发展经验来推断未来是什么样子并不合适，单从技术角度而言，0.18微米以后的发展将会相当困难，他认为能够做出正确判断的应该是英特尔的印刷制版工程师们（lithography Engineers）。 从经济方面分析，半导体厂商的投资越来越大，所承受的风险也越来越大。摩尔预计3年后（1998年左右）建一座周产量5000片晶元的厂需要大约30亿美元。半导体产品的价格却没有因此大幅度上涨，依靠产能和提高设备利用率对于降低产品成本也没有太大的影响。 1986年，半导体工业产值占世界总产值（GWP）的0.1%，按照摩尔定律发展下去，到2005年的时候半导体工业产值将占世界总产值的10%，到21世纪中叶，半导体工业就是世界的全部了——显然这是不可能的。 摩尔在文章的最后指出,摩尔定律已经违反了墨菲法则，上升到了另外的层次。 （E2） 
图4 摩尔认为”Cleverness”对于芯片复杂度的发展很大。 
图5 1975年至1995年间，DRAM和微处理器晶体管数量发展。 
图6 晶体管集成电路芯片面积发展，图中显示了微处理器和DRAM核心尺寸的发展历史，它的斜率比1975年的曲线低了些。 
图 7 过去25年中，晶体管密度的增长呈现出良好的线性。 
图 8 0.25微米制版设备价格为600万美元，而0.18微米设备则飚升到1000万美元 
图 9 摩尔用半导体工业所占GWP来证明摩尔定律无法持续下去 注：墨菲法则：（Murphy’s Law） （1）任何事都没有表面看起来那么简单。 （2）所有的事都会比你预设的时间长。 （3）会出错的事就是会出错。 2005年摩尔定律，再续40年？ 1年翻一番？ 2年翻一番？ 3年翻一番？ 当我们梳理完摩尔定律发布40年以来的脉络之后，我们应该明白精确的数字并没有多少意义。 从狭义的方面看，摩尔定律不过是英特尔公司内部制订发展战略的一个标尺，它确立了英特尔公司不断致力于技术创新并且迅速产品化的方针，它明确了以规模降低成本，提高效益和竞争力的模式，它形成了英特尔公司以快制静、以快制慢、以快制快的同对手竞争的市场策略。有多少家公司因为跟不上英特尔发展的速度，而相继倒在硅尘砂土之中。 1969年，英特尔以半导体存储器产品在硅工业领域站稳了脚跟，在20世纪80年代中期及时地把业务重点转移到微处理器领域，为今后的成功奠定了基础。在进入到20世纪90年代以后，摩尔根据当时的技术水平就开始预言由于制造工艺的问题，摩尔定律将遇到难以克服的技术和成本问题。不过，英特尔的工程师们的努力一直维持着摩尔定律的生命周期。比如，1997年，实现了0.25微米芯片的量产，有效地解决了晶体管内部的电子流泄露现象；2004年90纳米芯片进入量产，并且发布65纳米生产工艺，而且英特尔的相关技术文档显示，生产主频太赫兹晶体管的技术难关也已经攻克…… 到了2004年，摩尔定律再次受到了挑战！2004年8月，英特尔原定的4GHz奔腾4的发布计划被取消，从当时英特尔公布的产品路线图显示，其推陈出新的速度已经明显落后于摩尔定律。 在2004年的秋季IDF上，英特尔首席技术官帕特·基辛格重伸，性能至上的时代已经过去，注重实际的应用效能将成为新的发展重点。在这个转变过程中，英特尔已经不再强调主频。换句话说，芯片的高集成度，以及所带来的性能的巨大提升，已经不再放在第一位。取而代之的，则是新半导体材料的研发、多核心技术和虚拟化技术等。 正如摩尔本人所预料的：集成电路的发展如果还按照这个速度发展，需要投入的成本也会成指数级地增加，如果依然固守着这个人为的定律，英特尔公司将会负担越来越沉重的包袱。 有很多人认为，摩尔定律已经失效了！但殊不知，随着时代的发展，牛顿的万有引力定律也有变化升级的时候，摩尔定律同样如此。正如在2005年的春季IDF论坛上，英特尔CEO贝瑞特表示，“我们将在晶体管和单芯片级继续创新，不过，我们现在的工作是在综合平台的基础上，对系统平台的扩展性、软件设计、系统工程、生产服务等进行创新。” 贝瑞特进一步强调，在摩尔定律的指引下，电脑和通信实现了更新换代，现在，在摩尔定律的指引下，英特尔又创造了全新的整合平台，例如Sonoma平台等。从英特尔的角度，摩尔定律并没有失效，其创新的精神没有变化，只不过，它的具体内容正在发生变化。 从广义的方面看，摩尔定律在倡导着整个半导体工业不停地创新、领先、创新、领先……完全跳出来看的话，摩尔定律代表的就是无休止地创新精神，只要创新精神不死，摩尔定律就会继续。 （E2） 
近40年来，英特尔微处理器中，晶体管数量增长速率。 
戈登·摩尔生平 ● 1929年1月3日，戈登·摩尔出生在加州旧金山的Pescadero，距离旧金山南50英里的一个邻海小镇。 ● 1950年，摩尔获加州伯克利大学化学专业学士学位，继续在加利福尼亚技术学院深造，1954年获物理化学博士学位。 ● 随后两年，进入约翰·霍普金斯大学应用物理实验室。 ● 1956年，摩尔加入肖克利设在 望山的实验室。 ● 1957年9月，摩尔加入了极具神话色彩的仙童半导体公司，任技术部经理，后执掌研发部，从事的是肖克利实验室搞过的2N692双扩散晶体管项目，摩尔和赫尔尼负责扩散工艺。 ● 1965年，摩尔在《电子杂志》发表《Cramming More Components Onto Integrated Circuits》，初步阐述摩尔定律。 ● 1968年9月，摩尔和格罗夫追随先期辞职的诺伊斯离开仙童公司。在风险资本家阿瑟·罗克的帮助下建立了英特尔公司，摩尔担任执行副总裁。 ● 1975年，摩尔任CEO，在当年IEEE发言中修正了摩尔定律，预言半导体集成电路的复杂程度每两年翻一番。 ● 1979年，摩尔成为公司董事长兼CEO，一直到1987年才卸下CEO头衔。 ● 1990年，乔治·布什总统授予其美国技术奖。 ● 1997年，摩尔从董事长职位上退休。 
摩尔经典语录 当很多设计师认为半导体工业也不过就是能提供替代电子管的晶体管而已。我则认为半导体工业的未来是集成电路。 我并不希望摩尔定律有多么的精确，我只是试图让人们知道未来半导体技术是什么样子的，希望我们能向着这个目标而努力。 |
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