干貨 | 摩爾定律 vs 功能密度定律

眾所周知，隨著IC工藝的特征尺寸向5nm、3nm邁進，摩爾定律已經(jīng)要走到盡頭了，那么，有什么定律能接替摩爾定律呢？這就是我們今天要提出的：“功能密度定律-Function Density Law”，簡稱“FD Law”。首先，讓我們回顧一下摩爾定律。1. 摩 爾 定 律
摩爾定律（Moore's Law）是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）于1965年提出來的，至今已有55年。摩爾定律內(nèi)容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月翻一倍以上。總得來說，摩爾定律有以下三種說法：
1、集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18-24個月就翻一番。2、微處理器的性能每隔18-24個月提高一倍，而價格下降一倍。3、用一個美元所能買到的電腦性能，每隔18-24個月翻兩番。以上幾種說法中，以第一種說法最為普遍，第二、三兩種說法涉及到價格因素，其實質(zhì)是一樣的。三種說法雖然各有千秋，但在一點上是共同的，即"翻番"的周期都是18-24個月，至于"翻一番"（或兩番）的是"集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目"，是整個"計算機的性能"，還是"一個美元所能買到的性能"就見仁見智了。這一定律揭示了信息技術(shù)進步的速度，盡管這種趨勢已經(jīng)持續(xù)了超過半個世紀，摩爾定律仍應(yīng)該被認為是觀測或推測，而不是一個物理或自然法。摩爾定律到底準不準？讓我們先來看下面一張圖，從圖中可以看出，采樣點基本位于曲線的附近，可以看出摩爾定律基本上還是準確的。

摩爾定律并非數(shù)學(xué)或者物理定律，而是對發(fā)展趨勢的一種預(yù)測，因此，無論是文字表述還是定量計算，都應(yīng)當容許一定的寬裕度。從這個意義上看，摩爾的預(yù)言是相當準確了，所以才會被業(yè)界人士的公認，并產(chǎn)生巨大的反響。"摩爾定律"的終結(jié)摩爾定律問世至今已55年了，我們知道：芯片上元件的幾何尺寸總不可能無限制地縮小下去，這就意味著，總有一天，芯片單位面積上可集成的元件數(shù)量會達到極限。從技術(shù)的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯率也將呈指數(shù)增長，同時也使全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能。一旦芯片上特征尺寸達到1納米時，相當于只有5個硅原子的大小，這種情況下材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到它的盡頭了。
2. 功能密度定律
既然摩爾定律已經(jīng)要走到盡頭了，就需要有一個新的定律來接替摩爾定律，有什么定律能接替摩爾定律呢？這就是我們今天要提出的：“功能密度定律”(Function Density Law)。功能密度定律：對于所有的電子系統(tǒng)來說，沿著時間軸，系統(tǒng)空間內(nèi)的功能密度總是在持續(xù)不斷地增大，并且會一直持續(xù)下去。Function Density Law：For all electronic systems, along the time axis, the function density in system space is constantly increasing and will continue.下圖為功能密度定律的曲線描述：


從以上曲線可以看出，電子系統(tǒng)的功能密度會隨著時間延續(xù)而持續(xù)地增長，其增長的快慢在不同的歷史時期會有所不同，如果有新的技術(shù)的突破，其增長的就會比較快，如果沒有新技術(shù)突破，其增長則會比較緩慢，但總的趨勢是不斷增長。要理解功能密度定律，首先我們要理解什么是功能密度？功能密度：單位體積內(nèi)包含的功能單位的數(shù)量稱為功能密度。Function density: The number of Function UNITs contained in a unit volume is called function density.功能密度中的關(guān)鍵詞是功能單位，那什么又是功能單位（Function UNITs）呢？我們需要了解一下電子系統(tǒng)的6級功能分類。電子系統(tǒng)6級分類法：6-levels classification of electric system:

1. 功能細胞，Function cell（FC)，功能細胞是電子系統(tǒng)組成的最小功能單位，不可拆分，如果拆分，功能則會喪失，不可恢復(fù)，例如晶體管Transistor，電阻、電容、電感等都是功能細胞。
2. 功能塊，F(xiàn)unction block（FB)，功能塊由功能細胞組成，具有一定的邏輯功能，例如，6個Transistor可以組成一個SRAM存儲功能塊，1個Transistor和1個電容可以以組成一個DRAM存儲功能塊，4個MOS管可以組成一個與非門或者或非門。功能塊是具有特定功能的功能單位。
3. 功能單元，F(xiàn)unction unit（FU)，功能單元由功能塊組成，可以完成復(fù)雜功能的功能單位，例如算術(shù)邏輯單元（ALU)，輸入輸出控制單元（IO Control Unit），中央處理單元（CPU）等，計算機的處理器，DSP，F(xiàn)PGA，存儲器等都可以歸屬于功能單元這一級別的功能單位。
4. 微系統(tǒng)，Micro System（MS)，到這一級別，我們開始定義系統(tǒng)的概念，微系統(tǒng)可以獨立完成系統(tǒng)功能，并且體積較小，通常并不直接和最終用戶打交道，例如SiP, SoC，SoP等，微系統(tǒng)通常可由功能單元、功能塊或者功能細胞組成。
5. 常系統(tǒng)，Common System（CS)，也可稱之為常規(guī)系統(tǒng)，顧名思義就是常人能接觸到的系統(tǒng)，一般是指和最終用戶直接打交道的系統(tǒng)，這里的最終用戶指的是人。例如手機，電腦，家用電器等都可稱為常系統(tǒng)，常系統(tǒng)通常由微系統(tǒng)、功能單元組成；
6. 大系統(tǒng)，Giant System（GS)，一般是指復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，例如無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，載入航天系統(tǒng)、空間站系統(tǒng)等，大系統(tǒng)通常由常系統(tǒng)、微系統(tǒng)等組成。
   

在以上的定義中，功能細胞(FC)，功能塊(FB)，功能單元(FU)，都可以稱之為功能單位（FUs)，它們分別屬于不同級別的功能單位。我們再回顧一下功能密度的定義：單位體積內(nèi)包含的功能單位的數(shù)量稱為功能密度。這其中的功能單位（Function UNITs）可以是：功能塊（Function Block），功能細胞（Function Cell）或者功能單元（Function Unit）。需要讀者注意的是：在進行同一類型系統(tǒng)的功能密度比較時，需要采用相同級別的功能密度定義。例如，系統(tǒng)A、B、C的功能密度進行比較，A采用功能塊（Function Block）作為功能單位來定義功能密度，則B和C同樣需要采用功能塊（Function Block）作為功能單位來定義功能密度。
3. 功能密度定律的意義如果將功能密度定義中的功能單位具體為功能細胞（Transistor），并將其空間二維化，將其時間具體化，那么，功能密度定律就會縮化為摩爾定律。如果將集成電路上的晶體管集成從二維平面擴展為三維空間，將晶體管擴展為功能單位，并將時間由具體變?yōu)橼厔莼?，那么，摩爾定律就會擴展為功能密度定律。我們也可以這么理解，對于電子系統(tǒng)的集成來說，摩爾定律是功能密度定律的在集成電路上特例，而功能密度定律則是摩爾定律在整個電子系統(tǒng)的擴展。

也許會有人問，為什么功能密度定義時用的不是確定的功能單位，而是三個層次的功能單位（功能塊FB，功能細胞FC，功能單元FU）呢？這是由于功能本身的復(fù)雜性和不確定性。例如，新技術(shù)的發(fā)展，功能塊的結(jié)構(gòu)發(fā)生了進化，僅需要更小的功能塊（Function Block) 就可以實現(xiàn)同樣的功能，這樣，即使最底層的功能細胞（Function Cell）Transistor的數(shù)量沒有變化，其功能密度也同樣是增加的。比如我們通常用的SRAM需要6個晶體管（Transistor）可以實現(xiàn)一個存儲單元，稱為6T，一種新技術(shù)的出現(xiàn)據(jù)說可以用1個晶體管實現(xiàn)一個存儲單元，稱為1T，這樣，即使單位體積內(nèi)的晶體管數(shù)量不變，其功能密度卻增加了6倍。以此類推......
4. 小結(jié) 和 展望功能密度定律預(yù)測了電子系統(tǒng)集成的趨勢，并將成為判斷電子系統(tǒng)先進性的重要指標！摩爾定律是關(guān)于人類創(chuàng)造力的定律，實際上是關(guān)于人類信念的定律，當人們相信某件事情一定能做到時，就會努力去實現(xiàn)它。摩爾當初提出他的觀察報告時，實際上是給了人們一種信念，使大家相信他預(yù)言的趨勢一定會持續(xù)。功能密度定律同樣是關(guān)于人類創(chuàng)造力的定律，也是關(guān)于人類信念的定律，當人們相信電子系統(tǒng)空間內(nèi)的功能密度一定能會持續(xù)增加時，同樣會努力去實現(xiàn)。功能密度定律（Function Density Law，簡稱FD Law）是作者Suny Li（Li Yang）于2020年1月20號在本文中首次正式提出。在此之前，作者經(jīng)歷了20年的電子系統(tǒng)設(shè)計，積累了豐富的項目經(jīng)驗，并且通過了長久的分析和思考而得出。功能密度定律（FD Law）會不會像摩爾定律（Moore's Law）一樣，成為電子系統(tǒng)集成的最重要定律呢？現(xiàn)在，我們還不急著給出定論，等十年以后的2030年我們再看吧！不再糾結(jié)于二維平面尺度上晶體管的縮放，而把思維投入到更廣闊的空間，從多維度的集成，從結(jié)構(gòu)化的創(chuàng)新，從更靈活的尺度去評判，去發(fā)展！理解并運用功能密度定律，你就不會再糾結(jié)摩爾定律的終結(jié)，因為新的空間已經(jīng)為我們打開，并且更為廣闊！正如人們常說的：“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村！”功能密度定律是作者在本文首次提出，或許還有其不完善的地方，也歡迎大家留言討論。來源：SiP與先進封裝技術(shù)