摩爾定律將繼續影響電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

1、引言

在半導體產(chǎn)業(yè)，摩爾定律是簡(jiǎn)單評估半導體技術(shù)進(jìn)展的經(jīng)驗法則，其重要的意義在于長(cháng)期而言，集成電路制程技術(shù)是以一直線(xiàn)的方式向前推展，使得集成電路產(chǎn)品能持續降低成本，提升性能，增加功能。

1965年時(shí)任仙童半導體研究開(kāi)發(fā)實(shí)驗室主任的戈登·摩爾應邀為《電子學(xué)》（Electronics Magazine）35周年專(zhuān)刊寫(xiě)了一篇觀(guān)察評論報告，題目是："讓集成電路填滿(mǎn)更多的元件"，文中預言半導體芯片上集成的晶體管和電阻數量將每年增加一倍。1975年，戈登·摩爾在IEEE國際電子組件大會(huì )上提交了一篇論文，根據當時(shí)的實(shí)際情況對摩爾定律進(jìn)行了修正，把"每年增加一倍"改為"每?jì)赡暝黾右槐?quot;。摩爾定律問(wèn)世已超過(guò)50年，人們不無(wú)驚奇地看到半導體芯片制造工藝水平以一種令人目眩的速度提高。

摩爾定律手繪圖（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )）

后人深入研究摩爾定律，發(fā)現其核心內容主要有三個(gè)，一是集成更多的晶體管，每隔兩年單芯片集成的晶體管數目翻一番；二是實(shí)現更高的性能，每隔兩年性能提高一倍；三是實(shí)現更低的價(jià)格，單個(gè)晶體管的價(jià)格每隔兩年下降一倍。

Intel的執行副總Bill Holt在ISSCC 2016的主題演講中比較了兩種情況下的處理器芯片生產(chǎn)成本，一種是十年內每年都利用部分利潤根據摩爾定律的速度發(fā)展新制程（下圖左），另一種是在十年內一直使用相同的舊制程（下圖右）。比較的結果是，十年內按照摩爾定律發(fā)展新制程所生產(chǎn)的芯片成本與一直使用舊制程生產(chǎn)的芯片成本相比低了六成。所以說(shuō)推動(dòng)摩爾定律的是經(jīng)濟學(xué)。

芯片成本對比：制程進(jìn)化（左）或不進(jìn)化（右）

2、更多晶體管，更高的性能

摩爾定律提出后，全球半導體公司按照這一定律實(shí)現了產(chǎn)品更新戰略。而1968年誕生的英特爾公司生產(chǎn)的中央處理器驗證了該定律的準確性。1971年推出的i4004處理器只有2300個(gè)晶體管，而到2012年推出的Itanium9500已經(jīng)集成超過(guò)31億顆晶體管，性?xún)r(jià)比得到極大提升。

英特爾微處理器晶體管數量變化

為了集成更多的晶體管數量，全球半導體公司一直在提升工藝技術(shù)水平，從1971年10μm，到今天的16/14nm，而10nm工藝已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功，7nm和5nm甚至3nm工藝都已經(jīng)處于實(shí)驗階段。下表是全球集成電路制造工藝演變路線(xiàn)情況。

全球集成電路制造工藝演變路線(xiàn)

2016年英特爾因為由14nm向10nm工藝轉換出現問(wèn)題，提出停止采用"Tick-Tock"處理器升級周期，轉而更換為處理器研發(fā)周期三步戰略，即工藝制程Process、架構更新Architecture、優(yōu)化Optimization，這樣一來(lái)，產(chǎn)品的升級及更新周期將大幅延長(cháng)，預示晶體管數量翻一番的時(shí)間將由于兩年延長(cháng)至三年甚至更長(cháng)的時(shí)間，但并不表示摩爾定律失效。

3、更多晶體管，更低的價(jià)格

集成度越高，晶體管的價(jià)格越便宜，這樣也就引出了摩爾定律的經(jīng)濟學(xué)效益，在20世紀60年代初，一個(gè)晶體管要10美元左右，但隨著(zhù)晶體管越來(lái)越小，小到一根頭發(fā)絲上可以放1000個(gè)晶體管時(shí)，每個(gè)晶體管的價(jià)格只有千分之一美分。據有關(guān)統計，按運算10萬(wàn)次乘法的價(jià)格算，IBM704電腦為1美元，IBM709降到20美分，而60年代中期IBM耗資50億研制的IBM360系統電腦已變?yōu)?.5美分。

4、摩爾定律未來(lái)發(fā)展趨勢

1965年提出的摩爾定律絕對是半導體產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重大事件，對世界來(lái)說(shuō)也是一個(gè)重大事件。那么現在我們怎么來(lái)看待或評價(jià)它問(wèn)世50年的影響？盡管在有些人的眼里，摩爾定律是不可能永遠持續下去的，是必然會(huì )被終結。

2015年7月出版的國際半導體技術(shù)路線(xiàn)圖(ITRS)顯示半導體產(chǎn)業(yè)的晶體管體積縮減進(jìn)程到了2021年將會(huì )停止，主要與2021年后持續縮減微處理器的電晶體體積，可能不再符合業(yè)者經(jīng)濟效益有關(guān)。但不可否認，摩爾定律從1965年以來(lái)的影響是巨大的，而未來(lái)其影響還將繼