摩爾定律：我這一輩子（下）

　　我們回顧了上世紀(jì)60年代摩爾定律被提出的時(shí)代背景與半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展實(shí)踐，在下篇中我們將認(rèn)識影響摩爾定律的三大要素，了解摩爾定律1.0的「擴(kuò)容」與摩爾定律2.0的「縮減」都是怎么回事。在經(jīng)過五十年的發(fā)展后，摩爾定律今天已經(jīng)進(jìn)入3.0時(shí)代，也許在不久的將來它會推出歷史的舞臺，但是它留下來的光輝遺產(chǎn)將會一直影響半導(dǎo)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(yù)測，并且做出了修正。在 1975 年的 IEEE 國際電子設(shè)備大會上，摩爾對于此處修正過后的定律做出了解釋，其切入點(diǎn)就是解答集成芯片上的元件是如何實(shí)現(xiàn)翻倍這一存在于人們心中的疑惑。摩爾指出有三個因素導(dǎo)致了這一趨勢：不斷縮小的元件體積，不斷增長的芯片面積以及「工程智慧」，也就是說工程師們可以減少集成芯片上晶體管之間無用的空間。

　　摩爾認(rèn)為之所以摩爾定律能夠不斷被實(shí)踐所證明，有一半要?dú)w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(nèi)存投入市場之后，工程智慧可能就不再那么需要了。在 CCD 內(nèi)存中，所有的元件排列的非常緊密，它們之中將不再會存在被浪費(fèi)的空間。因此摩爾再次預(yù)測隨著晶體管越來越小，集成芯片越來越大，集成芯片上的元件數(shù)量翻倍增長所用的時(shí)間將會越來越少。在 1965 年時(shí)他曾預(yù)測這個數(shù)量會每兩年增長一倍，現(xiàn)在他將這個速度修正到了每年增長一倍。

　　不過具有諷刺意味的是，由于 CCD 內(nèi)存被證明很容易出錯，所以英特爾公司根本就沒有發(fā)行該產(chǎn)品。但是摩爾的預(yù)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(jì)七十年代初期開始，這些芯片就已經(jīng)按照了每兩年所包含元件翻一番的速度在發(fā)展。而包含了大規(guī)模相同晶體管的內(nèi)存芯片其發(fā)展速度就更快了，已經(jīng)達(dá)到了每隔十八個月其包含元件就翻一番的速度，達(dá)到這一增長速度大部分要?dú)w于其設(shè)計(jì)工藝更為簡單。

　　在影響摩爾定律實(shí)現(xiàn)的三個要素中，有一個要素是需要特殊對待的，那就是縮小晶體管的尺寸。至少在可見的一段時(shí)間范圍內(nèi)，縮小晶體管的尺寸是必須為之的，在這個問題上不存在權(quán)衡問題。根據(jù) IBM 工程師 Robert Dennard 提出的縮放比例定律(譯者注：縮放比例定律，隨著芯片上晶體管數(shù)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。

　　晶體管的尺寸問題直接影響到了摩爾定律是否能持續(xù)發(fā)揮作用，在不斷發(fā)展的過程中，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(kuò)容」——也就是在芯片上添加更多的電子元件。起初，想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)看上去比較簡單，只要將包含了電子元件的各類應(yīng)用程序進(jìn)行可靠且廉價(jià)的打包起來就行。但是這種做法的結(jié)果是使得集成芯片變得越來越大，也越來越復(fù)雜。在上世紀(jì) 70 年代初期，為了解決這一問題，微處理器誕生了。

　　不過在過去的幾十年中，半導(dǎo)體行業(yè)的長足進(jìn)步主要是由摩爾定律 2.0 推動的。這個階段被人們稱作「縮減」，也就是說在集成芯片上所包含的晶體管數(shù)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中可以看出「縮減」相比「擴(kuò)容」是逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。在上世紀(jì) 80 年代到 90 年代初期，半導(dǎo)體技術(shù)就發(fā)展到了一個關(guān)鍵「節(jié)點(diǎn)」上，我們將這一發(fā)展時(shí)期稱為「RAM 時(shí)代」，在 1989 年出現(xiàn)了 4M DRAM，而到了 1992 年 16-MB DRAM 也出現(xiàn)了。每一次進(jìn)化都意味著集成芯片的工作能力變得更強(qiáng)大，因?yàn)樵诓辉黾映杀镜那闆r下單個芯片中所能包含的晶體管變得越來越多。

　　在上世紀(jì) 90 年代初期，我們開始更多地依靠「縮減」來革新晶體管。選擇這條發(fā)展道路是很自然而然的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)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)開始被大規(guī)模地運(yùn)用于汽車、電子設(shè)備甚至是玩具之中，正因?yàn)槿绱耍瑸榱颂岣呒呻娐返男阅懿⑶医档椭谱鞒杀?，如何減小晶體管的尺寸已經(jīng)成為了關(guān)鍵問題。

　　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(kuò)大。雖然現(xiàn)在的制造技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在邏輯芯片上安放 100 億個晶體管，但是在實(shí)踐之中很少有集成芯片會達(dá)到這一數(shù)值。這在很大程度上來說，是因?yàn)榧尚酒脑O(shè)計(jì)已經(jīng)跟不上了。

　　摩爾定律 1.0 至今仍然運(yùn)用在圖形處理器、現(xiàn)場可編程器件以及針對少數(shù)超級計(jì)算機(jī)的微處理器中，但是除此之外，摩爾定律 2.0 已經(jīng)占據(jù)了統(tǒng)治地位。不過時(shí)至今日，這個定律繼續(xù)在發(fā)生變化。