摩爾定律：我這一輩子（下）

　　我們回顧了上世紀60年代摩爾定律被提出的時(shí)代背景與半導體行業(yè)的發(fā)展實(shí)踐，在下篇中我們將認識影響摩爾定律的三大要素，了解摩爾定律1.0的「擴容」與摩爾定律2.0的「縮減」都是怎么回事。在經(jīng)過(guò)五十年的發(fā)展后，摩爾定律今天已經(jīng)進(jìn)入3.0時(shí)代，也許在不久的將來(lái)它會(huì )推出歷史的舞臺，但是它留下來(lái)的光輝遺產(chǎn)將會(huì )一直影響半導體行業(yè)的發(fā)展。

　　在摩爾定律被提出十年之后的 1975 年，戈登摩爾重新審視了此前他做出的預測，并且做出了修正。在 1975 年的 IEEE 國際電子設備大會(huì )上，摩爾對于此處修正過(guò)后的定律做出了解釋?zhuān)淝腥朦c(diǎn)就是解答集成芯片上的元件是如何實(shí)現翻倍這一存在于人們心中的疑惑。摩爾指出有三個(gè)因素導致了這一趨勢：不斷縮小的元件體積，不斷增長(cháng)的芯片面積以及「工程智慧」，也就是說(shuō)工程師們可以減少集成芯片上晶體管之間無(wú)用的空間。

　　摩爾認為之所以摩爾定律能夠不斷被實(shí)踐所證明，有一半要歸功于前兩種要素，其他則全是「工程智慧」的功勞。但是摩爾表示一旦英特爾公司所生產(chǎn)的 CCD 內存投入市場(chǎng)之后，工程智慧可能就不再那么需要了。在 CCD 內存中，所有的元件排列的非常緊密，它們之中將不再會(huì )存在被浪費的空間。因此摩爾再次預測隨著(zhù)晶體管越來(lái)越小，集成芯片越來(lái)越大，集成芯片上的元件數量翻倍增長(cháng)所用的時(shí)間將會(huì )越來(lái)越少。在 1965 年時(shí)他曾預測這個(gè)數量會(huì )每?jì)赡暝鲩L(cháng)一倍，現在他將這個(gè)速度修正到了每年增長(cháng)一倍。

　　不過(guò)具有諷刺意味的是，由于 CCD 內存被證明很容易出錯，所以英特爾公司根本就沒(méi)有發(fā)行該產(chǎn)品。但是摩爾的預測卻在邏輯芯片、微處理器的發(fā)展中得到了證實(shí)，從上世紀七十年代初期開(kāi)始，這些芯片就已經(jīng)按照了每?jì)赡晁环乃俣仍诎l(fā)展。而包含了大規模相同晶體管的內存芯片其發(fā)展速度就更快了，已經(jīng)達到了每隔十八個(gè)月其包含元件就翻一番的速度，達到這一增長(cháng)速度大部分要歸于其設計工藝更為簡(jiǎn)單。

　　在影響摩爾定律實(shí)現的三個(gè)要素中，有一個(gè)要素是需要特殊對待的，那就是縮小晶體管的尺寸。至少在可見(jiàn)的一段時(shí)間范圍內，縮小晶體管的尺寸是必須為之的，在這個(gè)問(wèn)題上不存在權衡問(wèn)題。根據 IBM 工程師 Robert Dennard 提出的縮放比例定律(譯者注：縮放比例定律，隨著(zhù)芯片上晶體管數量的增加，功率密度必須保持不變)，新一代的晶體管總是在不斷進(jìn)步。尺寸縮減的晶體管不僅僅是的集成電路可以包含更多的元件，同時(shí)也讓晶體管本身工作的更快、耗能更少。

　　晶體管的尺寸問(wèn)題直接影響到了摩爾定律是否能持續發(fā)揮作用，在不斷發(fā)展的過(guò)程中，針對晶體管產(chǎn)生了截然不同的處理方法。在被我們成為摩爾定律 1.0 的早期階段中，集成芯片的性能想要有所提升，通常需要依靠「擴容」——也就是在芯片上添加更多的電子元件。起初，想要實(shí)現這一目標看上去比較簡(jiǎn)單，只要將包含了電子元件的各類(lèi)應用程序進(jìn)行可靠且廉價(jià)的打包起來(lái)就行。但是這種做法的結果是使得集成芯片變得越來(lái)越大，也越來(lái)越復雜。在上世紀 70 年代初期，為了解決這一問(wèn)題，微處理器誕生了。

　　不過(guò)在過(guò)去的幾十年中，半導體行業(yè)的長(cháng)足進(jìn)步主要是由摩爾定律 2.0 推動(dòng)的。這個(gè)階段被人們稱(chēng)作「縮減」，也就是說(shuō)在集成芯片上所包含的晶體管數量不變的情況下，縮小晶體管的尺寸并且降低其制作成本。

　　雖然摩爾定律 1.0 時(shí)代與 2.0 時(shí)代在時(shí)間上有所重合，但是在半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)程中可以看出「縮減」相比「擴容」是逐漸占據了主導地位。在上世紀 80 年代到 90 年代初期，半導體技術(shù)就發(fā)展到了一個(gè)關(guān)鍵「節點(diǎn)」上，我們將這一發(fā)展時(shí)期稱(chēng)為「RAM 時(shí)代」，在 1989 年出現了 4M DRAM，而到了 1992 年 16-MB DRAM 也出現了。每一次進(jìn)化都意味著(zhù)集成芯片的工作能力變得更強大，因為在不增加成本的情況下單個(gè)芯片中所能包含的晶體管變得越來(lái)越多。

　　在上世紀 90 年代初期，我們開(kāi)始更多地依靠「縮減」來(lái)革新晶體管。選擇這條發(fā)展道路是很自然而然的，因為大多數的芯片不再需要盡可能多地包含晶體管。集成電路在此時(shí)已經(jīng)開(kāi)始被大規模地運用于汽車(chē)、電子設備甚至是玩具之中，正因為如此，為了提高集成電路的性能并且降低制作成本，如何減小晶體管的尺寸已經(jīng)成為了關(guān)鍵問(wèn)題。

　　最終，即使技術(shù)允許，微處理器的體積也不再像之前一樣不斷擴大。雖然現在的制造技術(shù)已經(jīng)能夠實(shí)現在邏輯芯片上安放 100 億個(gè)晶體管，但是在實(shí)踐之中很少有集成芯片會(huì )達到這一數值。這在很大程度上來(lái)說(shuō)，是因為集成芯片的設計已經(jīng)跟不上了。

　　摩爾定律 1.0 至今仍然運用在圖形處理器、現場(chǎng)可編程器件以及針對少數超級計算機的微處理器中，但是除此之外，摩爾定律 2.0 已經(jīng)占據了統治地位。不過(guò)時(shí)至今日，這個(gè)定律繼續在發(fā)生變化。