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晶體管布線互聯(lián)在一起，安裝在在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，制作出一種被稱為「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?諾伊斯則用實踐顯示了平面晶體管可以被用來制造集成電路, 通過給晶體管覆蓋一層絕緣的氧化物涂層, 然后添加鋁線去連接不同的晶體管就可以實現(xiàn)。仙童公司將這種新的制造工藝投入到了首個硅集成電路的制作中，這種硅集成電路于 1961 年面世，剛剛開始只包含了 4 個晶體管。到了 1965 年，該公司已經能夠制作出包含了 64 個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業(yè)未來發(fā)展方向。這聲明在今天看來當然是不言自明的，但是在當時那個年代卻引起了爭議。很多人都質疑摩爾的觀點，認為集成電路不過是電子產業(yè)中的一個小小分支。

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

　　不過讓問題更加復雜的是當時的晶體管并不可靠。據(jù)摩爾回憶，在當時單個晶體管大約只能發(fā)揮出 10%-20% 的功效。當你將多個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，但其實效果并不盡如人意。之所以會出現(xiàn)這種狀況，是因為這種操作邏輯是有缺陷的。雖然有 8 個晶體管被集成在同一塊電路板上，實際上它們并不能發(fā)揮出整體的效果，其工作效果還是等同 8 個獨立的晶體管。這是由于每個晶體管發(fā)生故障的概率是獨立的，且這種故障是隨機出現(xiàn)的，比如飛濺的油漆就能讓晶體管失效。如果兩個相鄰的晶體管中有一個發(fā)生了故障，那這兩個晶體管就會同時罷工。因此也就是說當把兩個晶體管連接在一起時，就要冒著一損俱損的風險。

　　雖然面臨種種困難，摩爾仍然堅信集成電路總有一天會被證明是一種經濟實惠的選擇。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，將仙童公司的第一代平面晶體管以及后續(xù)生產的一系列集成電路作為參照，構建了一個對數(shù)模型。在該模型中，他發(fā)現(xiàn)隨著時間發(fā)展，每年集成電路上的元件數(shù)量就會增加一倍。

　　通過在模型中加上一條小小的趨勢線，摩爾做出了一個大膽的推斷：這種增長趨勢將持續(xù) 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(shù)量從 64 增長到 65000。這個預測已經相當接近現(xiàn)實。在 1975 年時，英特爾公司準備生產的電荷耦合(CCD)內存芯片上就已經包含了 32000 個元件，只要經過一年的發(fā)展，其結果就會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，會從中發(fā)現(xiàn)一些被人忽視的細節(jié)。首先，摩爾的預測針對的是集成電路上的電子元件數(shù)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。而后來當金屬氧化物半導體場效應晶體管出現(xiàn)之后，集成電路上晶體管之外的電子元件所需越來越少，這也就意味著數(shù)字時代開始了。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(jù)它所包含的晶體管數(shù)量。

　　這篇文章還揭示了摩爾對于集成電路所帶來的經濟效益的關注。在摩爾定律中所說的電子元件的數(shù)量，并不是指芯片上所包含的最大元件數(shù)量或者平均數(shù)量，而是指每個元件的成本都能達到最小時集成芯片上可以包含的元件數(shù)量。摩爾內心明白，在一個集成電路上所能夠放置的元件數(shù)量并不是越多越好，多并不一定代表著就是經濟實惠的選擇。在每一代芯片制造技術發(fā)展過程中，集成電路中的元件數(shù)量都有著符合當時實際情況的最佳平衡點。隨著你往集成電路上添加越來越多的元件，分攤到每一個元件上面的成本是降低了，但是一旦這個數(shù)量超過了特定值，試圖往集成電路中添加更多的晶體管就會使得缺陷出現(xiàn)的可能性增加，并降低了可用芯片的收益。只要超過了這個特定值上，每個元件的成本就會開始增加。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上。

　　事實上，我并不認為摩爾定律在今天已經不能預測現(xiàn)實了，我認為摩爾定律再次處于一個變革的邊緣。

　　芯片制造技術已經取得了長足的進步，最佳平衡點也隨之不斷提升，集成電路上的元件數(shù)量越來越多的同時其制造成本也在降低。在過去的 50 年中，晶體管的制造成本已經從 30 美元下降到了今天幾乎不要錢的地步。我想即使是摩爾本人，可能也沒有預見到晶體管的成本會有到如此巨大的變化。但是在 1965 年時，他就已經認識到集成電路不會一直這么價格高昂，會有高性能且廉價的組件對于現(xiàn)有的元件進行替代，集成電路的發(fā)展趨勢是成為性能好、價格低的產品。