摩爾定律將繼續(xù)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)，摩爾定律是簡單評估半導體技術進展的經(jīng)驗法則，其重要的意義在于長期而言，集成電路制程技術是以一直線的方式向前推展，使得集成電路產(chǎn)品能持續(xù)降低成本，提升性能，增加功能。

1965年時任仙童半導體研究開發(fā)實驗室主任的戈登·摩爾應邀為《電子學》（Electronics Magazine）35周年專刊寫了一篇觀察評論報告，題目是："讓集成電路填滿更多的元件"，文中預言半導體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍。1975年，戈登·摩爾在IEEE國際電子組件大會上提交了一篇論文，根據(jù)當時的實際情況對摩爾定律進行了修正，把"每年增加一倍"改為"每兩年增加一倍"。摩爾定律問世已超過50年，人們不無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（圖片來源于網(wǎng)絡）

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

Intel的執(zhí)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(nèi)每年都利用部分利潤根據(jù)摩爾定律的速度發(fā)展新制程（下圖左），另一種是在十年內(nèi)一直使用相同的舊制程（下圖右）。比較的結(jié)果是，十年內(nèi)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。所以說推動摩爾定律的是經(jīng)濟學。

芯片成本對比：制程進化（左）或不進化（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現(xiàn)了產(chǎn)品更新戰(zhàn)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個晶體管，而到2012年推出的Itanium9500已經(jīng)集成超過31億顆晶體管，性價比得到極大提升。

英特爾微處理器晶體管數(shù)量變化

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

全球集成電路制造工藝演變路線

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

3、更多晶體管，更低的價格

集成度越高，晶體管的價格越便宜，這樣也就引出了摩爾定律的經(jīng)濟學效益，在20世紀60年代初，一個晶體管要10美元左右，但隨著晶體管越來越小，小到一根頭發(fā)絲上可以放1000個晶體管時，每個晶體管的價格只有千分之一美分。據(jù)有關統(tǒng)計，按運算10萬次乘法的價格算，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(tǒng)電腦已變?yōu)?.5美分。

4、摩爾定律未來發(fā)展趨勢

1965年提出的摩爾定律絕對是半導體產(chǎn)業(yè)的一個重大事件，對世界來說也是一個重大事件。那么現(xiàn)在我們怎么來看待或評價它問世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(xù)下去的，是必然會被終結(jié)。

2015年7月出版的國際半導體技術路線圖(ITRS)顯示半導體產(chǎn)業(yè)的晶體管體積縮減進程到了2021年將會停止，主要與2021年后持續(xù)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。但不可否認，摩爾定律從1965年以來的影響是巨大的，而未來其影響還將繼