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(jìn)，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(jiǎn)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(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)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(gè)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(gè)月就翻一番。2、微處理器的性能每隔18-24個(gè)月提高一倍，而價(jià)格下降一倍。3、用一個(gè)美元所能買到的電腦性能，每隔18-24個(gè)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(jià)格因素，其實(shí)質(zhì)是一樣的。三種說法雖然各有千秋，但在一點(diǎn)上是共同的，即"翻番"的周期都是18-24個(gè)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(gè)"計(jì)算機(jī)的性能"，還是"一個(gè)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(jìn)步的速度，盡管這種趨勢(shì)已經(jīng)持續(xù)了超過半個(gè)世紀(jì)，摩爾定律仍應(yīng)該被認(rèn)為是觀測(cè)或推測(cè)，而不是一個(gè)物理或自然法。摩爾定律到底準(zhǔn)不準(zhǔn)？讓我們先來看下面一張圖，從圖中可以看出，采樣點(diǎn)基本位于曲線的附近，可以看出摩爾定律基本上還是準(zhǔn)確的。

摩爾定律并非數(shù)學(xué)或者物理定律，而是對(duì)發(fā)展趨勢(shì)的一種預(yù)測(cè)，因此，無論是文字表述還是定量計(jì)算，都應(yīng)當(dāng)容許一定的寬裕度。從這個(gè)意義上看，摩爾的預(yù)言是相當(dāng)準(zhǔn)確了，所以才會(huì)被業(yè)界人士的公認(rèn)，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(huì)達(dá)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(cuò)率也將呈指數(shù)增長(zhǎng)，同時(shí)也使全面而徹底的芯片測(cè)試幾乎成為不可能。一旦芯片上特征尺寸達(dá)到1納米時(shí)，相當(dāng)于只有5個(gè)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(gè)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(duì)于所有的電子系統(tǒng)來說，沿著時(shí)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(huì)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(huì)隨著時(shí)間延續(xù)而持續(xù)地增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)的快慢在不同的歷史時(shí)期會(huì)有所不同，如果有新的技術(shù)的突破，其增長(zhǎng)的就會(huì)比較快，如果沒有新技術(shù)突破，其增長(zhǎng)則會(huì)比較緩慢，但總的趨勢(shì)是不斷增長(zhǎng)。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(jí)功能分類。電子系統(tǒng)6級(jí)分類法：6-levels classification of electric system:

1. 功能細(xì)胞，Function cell（FC)，功能細(xì)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(huì)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(xì)胞。
2. 功能塊，F(xiàn)unction block（FB)，功能塊由功能細(xì)胞組成，具有一定的邏輯功能，例如，6個(gè)Transistor可以組成一個(gè)SRAM存儲(chǔ)功能塊，1個(gè)Transistor和1個(gè)電容可以以組成一個(gè)DRAM存儲(chǔ)功能塊，4個(gè)MOS管可以組成一個(gè)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(jì)算機(jī)的處理器，DSP，F(xiàn)PGA，存儲(chǔ)器等都可以歸屬于功能單元這一級(jí)別的功能單位。
4. 微系統(tǒng)，Micro System（MS)，到這一級(jí)別，我們開始定義系統(tǒng)的概念，微系統(tǒng)可以獨(dú)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?？捎晒δ軉卧?、功能塊或者功能細(xì)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(jī)，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(xì)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(jí)別的功能單位。我們?cè)倩仡櫼幌鹿δ苊芏鹊亩x：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(xì)胞（Function Cell）或者功能單元（Function Unit）。需要讀者注意的是：在進(jìn)行同一類型系統(tǒng)的功能密度比較時(shí)，需要采用相同級(jí)別的功能密度定義。例如，系統(tǒng)A、B、C的功能密度進(jìn)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(xì)胞（Transistor），并將其空間二維化，將其時(shí)間具體化，那么，功能密度定律就會(huì)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(kuò)展為三維空間，將晶體管擴(kuò)展為功能單位，并將時(shí)間由具體變?yōu)橼厔?shì)化，那么，摩爾定律就會(huì)擴(kuò)展為功能密度定律。我們也可以這么理解，對(duì)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(gè)電子系統(tǒng)的擴(kuò)展。

也許會(huì)有人問，為什么功能密度定義時(shí)用的不是確定的功能單位，而是三個(gè)層次的功能單位（功能塊FB，功能細(xì)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(jìn)化，僅需要更小的功能塊（Function Block) 就可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能，這樣，即使最底層的功能細(xì)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(gè)晶體管（Transistor）可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)存儲(chǔ)單元，稱為6T，一種新技術(shù)的出現(xiàn)據(jù)說可以用1個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)一個(gè)存儲(chǔ)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(cè)了電子系統(tǒng)集成的趨勢(shì)，并將成為判斷電子系統(tǒng)先進(jìn)性的重要指標(biāo)！摩爾定律是關(guān)于人類創(chuàng)造力的定律，實(shí)際上是關(guān)于人類信念的定律，當(dāng)人們相信某件事情一定能做到時(shí)，就會(huì)努力去實(shí)現(xiàn)它。摩爾當(dāng)初提出他的觀察報(bào)告時(shí)，實(shí)際上是給了人們一種信念，使大家相信他預(yù)言的趨勢(shì)一定會(huì)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(dāng)人們相信電子系統(tǒng)空間內(nèi)的功能密度一定能會(huì)持續(xù)增加時(shí)，同樣會(huì)努力去實(shí)現(xiàn)。功能密度定律（Function Density Law，簡(jiǎn)稱FD Law）是作者Suny Li（Li Yang）于2020年1月20號(hào)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(jì)，積累了豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，并且通過了長(zhǎng)久的分析和思考而得出。功能密度定律（FD Law）會(huì)不會(huì)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?cè)倏窗桑?/span>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(píng)判，去發(fā)展！理解并運(yùn)用功能密度定律，你就不會(huì)再糾結(jié)摩爾定律的終結(jié)，因?yàn)樾碌目臻g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(jìn)封裝技術(shù)