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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，摩爾定律是簡單評估半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)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(shù)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(dǎo)體研究開發(fā)實驗室主任的戈登·摩爾應(yīng)邀為《電子學(xué)》（Electronics Magazine）35周年?？瘜懥艘黄^察評論報告，題目是："讓集成電路填滿更多的元件"，文中預(yù)言半導(dǎo)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(dāng)時的實際情況對摩爾定律進(jìn)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(dǎo)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(luò)）

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(jì)學(xué)。

芯片成本對比：制程進(jìn)化（左）或不進(jìn)化（右）

2、更多晶體管，更高的性能

摩爾定律提出后，全球半導(dǎo)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(zhǔn)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(dǎo)體公司一直在提升工藝技術(shù)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(yù)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(jì)學(xué)效益，在20世紀(jì)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(guān)統(tǒng)計，按運(yùn)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(dǎo)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(yuǎn)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(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)顯示半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的晶體管體積縮減進(jìn)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(jì)效益有關(guān)。但不可否認(rèn)，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