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(gè)晶體管布線互聯(lián)在一起，安裝在在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)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(qū)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(shí)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(shí)現(xiàn)。仙童公司將這種新的制造工藝投入到了首個(gè)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(gè)晶體管。到了 1965 年，該公司已經(jīng)能夠制作出包含了 64 個(gè)電子元件的集成電路了。

　　有了這些前期知識(shí)的積累，摩爾在 1965 年發(fā)表的一篇論文中做出了大膽的結(jié)論：集成電路代表了電子產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向。這聲明在今天看來當(dāng)然是不言自明的，但是在當(dāng)時(shí)那個(gè)年代卻引起了爭(zhēng)議。很多人都質(zhì)疑摩爾的觀點(diǎn)，認(rèn)為集成電路不過是電子產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)小小分支。

　　這些質(zhì)疑是可以被諒解的，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)集成電路的工藝比其他手工電路板產(chǎn)品復(fù)雜得多，而且也貴得多——從今天的計(jì)算角度來看，在當(dāng)時(shí)集成電路的成本高達(dá) 30 美元，而單個(gè)組件的成本不到 10 美元。在那個(gè)年代，生產(chǎn)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(fù)雜的是當(dāng)時(shí)的晶體管并不可靠。據(jù)摩爾回憶，在當(dāng)時(shí)單個(gè)晶體管大約只能發(fā)揮出 10%-20% 的功效。當(dāng)你將多個(gè)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(shí)效果并不盡如人意。之所以會(huì)出現(xiàn)這種狀況，是因?yàn)檫@種操作邏輯是有缺陷的。雖然有 8 個(gè)晶體管被集成在同一塊電路板上，實(shí)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(gè)獨(dú)立的晶體管。這是由于每個(gè)晶體管發(fā)生故障的概率是獨(dú)立的，且這種故障是隨機(jī)出現(xiàn)的，比如飛濺的油漆就能讓晶體管失效。如果兩個(gè)相鄰的晶體管中有一個(gè)發(fā)生了故障，那這兩個(gè)晶體管就會(huì)同時(shí)罷工。因此也就是說當(dāng)把兩個(gè)晶體管連接在一起時(shí)，就要冒著一損俱損的風(fēng)險(xiǎn)。

　　雖然面臨種種困難，摩爾仍然堅(jiān)信集成電路總有一天會(huì)被證明是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)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(chǎn)的一系列集成電路作為參照，構(gòu)建了一個(gè)對(duì)數(shù)模型。在該模型中，他發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間發(fā)展，每年集成電路上的元件數(shù)量就會(huì)增加一倍。

　　通過在模型中加上一條小小的趨勢(shì)線，摩爾做出了一個(gè)大膽的推斷：這種增長(zhǎng)趨勢(shì)將持續(xù) 10 年。到了 1975 年，他又預(yù)測(cè)人們將親眼目睹集成電路上的元件數(shù)量從 64 增長(zhǎng)到 65000。這個(gè)預(yù)測(cè)已經(jīng)相當(dāng)接近現(xiàn)實(shí)。在 1975 年時(shí)，英特爾公司準(zhǔn)備生產(chǎn)的電荷耦合(CCD)內(nèi)存芯片上就已經(jīng)包含了 32000 個(gè)元件，只要經(jīng)過一年的發(fā)展，其結(jié)果就會(huì)與摩爾的預(yù)測(cè)相當(dāng)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(nèi)容

　　當(dāng)我們回顧摩爾這篇重要的論文時(shí)，會(huì)從中發(fā)現(xiàn)一些被人忽視的細(xì)節(jié)。首先，摩爾的預(yù)測(cè)針對(duì)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(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(shí)代開始了。晶體管在集成電路中起到了主導(dǎo)作用，而對(duì)于集成電路復(fù)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(duì)于集成電路所帶來的經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)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(gè)元件的成本都能達(dá)到最小時(shí)集成芯片上可以包含的元件數(shù)量。摩爾內(nèi)心明白，在一個(gè)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(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。在每一代芯片制造技術(shù)發(fā)展過程中，集成電路中的元件數(shù)量都有著符合當(dāng)時(shí)實(shí)際情況的最佳平衡點(diǎn)。隨著你往集成電路上添加越來越多的元件，分?jǐn)偟矫恳粋€(gè)元件上面的成本是降低了，但是一旦這個(gè)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(huì)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(gè)特定值上，每個(gè)元件的成本就會(huì)開始增加。發(fā)展到今天，集成電路設(shè)計(jì)與制造的目標(biāo)仍然是將其電子元件控制在最佳平衡點(diǎn)上。

　　事實(shí)上，我并不認(rèn)為摩爾定律在今天已經(jīng)不能預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)了，我認(rèn)為摩爾定律再次處于一個(gè)變革的邊緣。

　　芯片制造技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，最佳平衡點(diǎn)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(shí)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(jīng)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(yù)見到晶體管的成本會(huì)有到如此巨大的變化。但是在 1965 年時(shí)，他就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到集成電路不會(huì)一直這么價(jià)格高昂，會(huì)有高性能且廉價(jià)的組件對(duì)于現(xiàn)有的元件進(jìn)行替代，集成電路的發(fā)展趨勢(shì)是成為性能好、價(jià)格低的產(chǎn)品。