摩爾定律：我這一輩子（上）

　　有了這種平面晶體管，工程師就可以將多個(gè)晶體管布線(xiàn)互聯(lián)在一起，安裝在在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質(zhì)基片上，制作出一種被稱(chēng)為「集成電路」的東西。德州儀器的杰克基爾比是集成電路方面的先驅者，他首先想到了電阻器和電容器 (無(wú)源元件) 可以用與晶體管 (有源器件) 相同的材料制造。摩爾的同事羅伯特?諾伊斯則用實(shí)踐顯示了平面晶體管可以被用來(lái)制造集成電路, 通過(guò)給晶體管覆蓋一層絕緣的氧化物涂層, 然后添加鋁線(xiàn)去連接不同的晶體管就可以實(shí)現。仙童公司將這種新的制造工藝投入到了首個(gè)硅集成電路的制作中，這種硅集成電路于 1961 年面世，剛剛開(kāi)始只包含了 4 個(gè)晶體管。到了 1965 年，該公司已經(jīng)能夠制作出包含了 64 個(gè)電子元件的集成電路了。

　　有了這些前期知識的積累，摩爾在 1965 年發(fā)表的一篇論文中做出了大膽的結論：集成電路代表了電子產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展方向。這聲明在今天看來(lái)當然是不言自明的，但是在當時(shí)那個(gè)年代卻引起了爭議。很多人都質(zhì)疑摩爾的觀(guān)點(diǎn)，認為集成電路不過(guò)是電子產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)小小分支。

　　這些質(zhì)疑是可以被諒解的，因為在當時(shí)集成電路的工藝比其他手工電路板產(chǎn)品復雜得多，而且也貴得多——從今天的計算角度來(lái)看，在當時(shí)集成電路的成本高達 30 美元，而單個(gè)組件的成本不到 10 美元。在那個(gè)年代，生產(chǎn)集成電路的公司屈指可數，而他們真正的顧客也只有美國航空航天局以及美國軍方。

　　不過(guò)讓問(wèn)題更加復雜的是當時(shí)的晶體管并不可靠。據摩爾回憶，在當時(shí)單個(gè)晶體管大約只能發(fā)揮出 10%-20% 的功效。當你將多個(gè)晶體管集成在同一塊電路板上，雖然期望它能夠發(fā)揮出最大的功效，但其實(shí)效果并不盡如人意。之所以會(huì )出現這種狀況，是因為這種操作邏輯是有缺陷的。雖然有 8 個(gè)晶體管被集成在同一塊電路板上，實(shí)際上它們并不能發(fā)揮出整體的效果，其工作效果還是等同 8 個(gè)獨立的晶體管。這是由于每個(gè)晶體管發(fā)生故障的概率是獨立的，且這種故障是隨機出現的，比如飛濺的油漆就能讓晶體管失效。如果兩個(gè)相鄰的晶體管中有一個(gè)發(fā)生了故障，那這兩個(gè)晶體管就會(huì )同時(shí)罷工。因此也就是說(shuō)當把兩個(gè)晶體管連接在一起時(shí)，就要冒著(zhù)一損俱損的風(fēng)險。

　　雖然面臨種種困難，摩爾仍然堅信集成電路總有一天會(huì )被證明是一種經(jīng)濟實(shí)惠的選擇。在他 1965 年發(fā)表的論文中，摩爾為了證明集成電路將擁有光明的未來(lái)，將仙童公司的第一代平面晶體管以及后續生產(chǎn)的一系列集成電路作為參照，構建了一個(gè)對數模型。在該模型中，他發(fā)現隨著(zhù)時(shí)間發(fā)展，每年集成電路上的元件數量就會(huì )增加一倍。

　　通過(guò)在模型中加上一條小小的趨勢線(xiàn)，摩爾做出了一個(gè)大膽的推斷：這種增長(cháng)趨勢將持續 10 年。到了 1975 年，他又預測人們將親眼目睹集成電路上的元件數量從 64 增長(cháng)到 65000。這個(gè)預測已經(jīng)相當接近現實(shí)。在 1975 年時(shí)，英特爾公司準備生產(chǎn)的電荷耦合(CCD)內存芯片上就已經(jīng)包含了 32000 個(gè)元件，只要經(jīng)過(guò)一年的發(fā)展，其結果就會(huì )與摩爾的預測相當接近。而這家英特爾公司正是在 1968 年摩爾與諾伊斯、葛羅夫脫離了仙童公司后成立的。

　　摩爾定律被忽視的內容

　　當我們回顧摩爾這篇重要的論文時(shí)，會(huì )從中發(fā)現一些被人忽視的細節。首先，摩爾的預測針對的是集成電路上的電子元件數量，而不不僅僅是晶體管，電子元件中還包括了電阻、電容和二極管。在發(fā)展初期，集成電路中的電阻比晶體管還多。而后來(lái)當金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管出現之后，集成電路上晶體管之外的電子元件所需越來(lái)越少，這也就意味著(zhù)數字時(shí)代開(kāi)始了。晶體管在集成電路中起到了主導作用，而對于集成電路復雜性的衡量則主要依據它所包含的晶體管數量。

　　這篇文章還揭示了摩爾對于集成電路所帶來(lái)的經(jīng)濟效益的關(guān)注。在摩爾定律中所說(shuō)的電子元件的數量，并不是指芯片上所包含的最大元件數量或者平均數量，而是指每個(gè)元件的成本都能達到最小時(shí)集成芯片上可以包含的元件數量。摩爾內心明白，在一個(gè)集成電路上所能夠放置的元件數量并不是越多越好，多并不一定代表著(zhù)就是經(jīng)濟實(shí)惠的選擇。在每一代芯片制造技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，集成電路中的元件數量都有著(zhù)符合當時(shí)實(shí)際情況的最佳平衡點(diǎn)。隨著(zhù)你往集成電路上添加越來(lái)越多的元件，分攤到每一個(gè)元件上面的成本是降低了，但是一旦這個(gè)數量超過(guò)了特定值，試圖往集成電路中添加更多的晶體管就會(huì )使得缺陷出現的可能性增加，并降低了可用芯片的收益。只要超過(guò)了這個(gè)特定值上，每個(gè)元件的成本就會(huì )開(kāi)始增加。發(fā)展到今天，集成電路設計與制造的目標仍然是將其電子元件控制在最佳平衡點(diǎn)上。

　　事實(shí)上，我并不認為摩爾定律在今天已經(jīng)不能預測現實(shí)了，我認為摩爾定律再次處于一個(gè)變革的邊緣。

　　芯片制造技術(shù)已經(jīng)取得了長(cháng)足的進(jìn)步，最佳平衡點(diǎn)也隨之不斷提升，集成電路上的元件數量越來(lái)越多的同時(shí)其制造成本也在降低。在過(guò)去的 50 年中，晶體管的制造成本已經(jīng)從 30 美元下降到了今天幾乎不要錢(qián)的地步。我想即使是摩爾本人，可能也沒(méi)有預見(jiàn)到晶體管的成本會(huì )有到如此巨大的變化。但是在 1965 年時(shí)，他就已經(jīng)認識到集成電路不會(huì )一直這么價(jià)格高昂，會(huì )有高性能且廉價(jià)的組件對于現有的元件進(jìn)行替代，集成電路的發(fā)展趨勢是成為性能好、價(jià)格低的產(chǎn)品。