第三百五十章 摩尔定理 (2 / 3)
        在回顾这篇令人瞩目的论文时，我要指出几个经常被人们忽略的细节。首先，摩尔预测的是电子元件的数量——而不仅仅是晶体管或其他器件（例如电阻器、电容器、二极管）的数量。许多早期集成电路上所含有的电阻器数量的确要比晶体管多。后来，较少依赖非晶体管元件的金属氧化物半导体（MOS）线路问世时，数字时代才真正开启。晶体管开始发挥主导作用，它们的数量就成了衡量集成电路复杂性的更为有效的指标。

        这篇论文还展现了摩尔对集成工艺经济性的关注。他所定义的每个芯片上的元件数量并非最大值或平均值，而是当每个元件的成本达到最小值时的元件数量。他已经认识到，一个芯片上能够集成的元件数量和具有经济意义的元件数量并不一定等同。相反，每一代芯片加工技术都存在一个“最佳状态点”。芯片上的元件越多，单个元件的成本便会越低。但是当超过一个临界点之后，在既定空间内集成更多的晶体管将会增加出现致命缺陷的可能，并降低有效芯片的产出率。从该临界点开始，每个元件的成本将开始升高。集成电路设计和生产的目标便是——现在仍旧是——达到这个最佳状态点。

        随着芯片加工工艺的改进，达到最佳状态点时的元件数量已越来越多，每个元件的成本也越来越低。在过去50年里，晶体管的成本已经从30美元（按照现在的币值计算）下降到十亿分之一美元左右。摩尔几乎未能预测到如此大的降幅。但是，早在1965年，摩尔就已意识到，集成电路作为分立元件的替代品，将从高成本、高性能转变为低成本、高性能。无论是性能还是经济方面，都更倾向于集成工艺。

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        10年之后，摩尔重温并修正了他曾经的预言。在他为1975年的IEEE国际电子器件会议所做的分析报告中，摩尔首先解答了元件数量翻倍如何实现的问题。他提出，这一变化趋势是由3个因素决定的：越来越小的元件尺寸、不断增加的芯片面积和“器件精明性（devicecleverness）”，即工程师能够缩小多少晶体管之间的未使用面积。

        摩尔认为，呈现翻倍趋势有一半是因为前两个因素，另一半则应归功于“精明性”。但是对于英特尔公司当时正准备发布的CCD存储器，他认为精明性将很快不再发挥决定性作用。在CCD阵列中，所有器件均密密麻麻地排列成紧密的网格状，已经没有多余空间可进一步节省。于是，摩尔预言，未来的翻倍趋势很快将只受两个因素驱动：更加微小的晶体管和更大面积的芯片。而后果便是翻倍速度将减半，元件数量从每年翻一倍减缓为每两年翻一倍。

        具有讽刺意味的是，事实证明CCD存储器太容易出现故障，因此英特尔公司并未发布该产品。尽管如此，摩尔的预言却在逻辑芯片上得到了验证。以微处理器为例，自20世纪70年代起，微处理器上的元件数量便一直在以每两年翻一倍的速率增加。而带有由完全相同的晶体管组成的大规模阵列的存储芯片则增速更快一些，每隔约18个月，元件数量便会翻倍，其主要原因是这种芯片的设计更为简单。

        在摩尔确定的3个技术驱动因素中，有一个变得极为特殊：缩小晶体管的尺寸。至少在一段时间内，缩小MOS晶体管——我们现在仍在使用的硅栅晶体管——的尺寸的确能够实现工程领域内极少出现的一项成就：无须权衡取舍。按照以IBM工程师罗伯特?登纳德（RobertDennard）命名的度规法则，后继一代的晶体管性能总是比前一代更加优越。晶体管尺寸的不断缩小不仅可令一块集成电路上容纳的元件数量更多，也让晶体管的运行速度更快，耗电量更低。

        摩尔定律之所以能够持续有效，在很大程度上便是由这个因素单独决定的，而且在摩尔定律演化的两个不同时期，它一直在发挥作用。在初期，我称之为“摩尔定律1.0”的那个阶段，进步都是通过“按比例增加”实现的，即在一块芯片上增加更多的元件。最初，这样做的目标只是吞并既有应用的分立元件，将它们打包成一套可靠且价格低廉的组件。其结果是芯片的面积越来越大，且越来越复杂。在20世纪70年代早期问世的微处理器就是这个阶段的典型例证。

        但在过去几十年里，半导体行业的进步开始由摩尔定律2.0主导。这个时代的主题已经成为“按比例缩小”，即便每块芯片上的晶体管数量不再增加，晶体管的尺寸仍在继续缩小，成本也在不断降低。虽然摩尔定律1.0和2.0时代略有重叠，但从半导体行业的自身发展情况便可以看出“按比例缩小”和“按比例增加”各自的主导时期。在20世纪80年代以及90年代初期，定义行业进步的各代技术（或称“节点”）是按照动态RAM的不同系列划分的：例如**时，我们是以4兆字节（MB）的DRAM为节点；1992年则是16MB。随着同一块芯片上容纳的晶体管数量越来越多而成本并未增加，新一代产品意味着芯片的处理能力越来越强。

        到了20世纪90年代初期，我们已经开始根据制造晶体管的细微化特性命名我们所处的节点。这一切都是水到渠成的。大部分芯片并不需要容纳尽可能多的晶体管。集成电路的应用领域开始激增，从汽车、设备器械到玩具，简直无所不包。在这个过程中，晶体管的大小——代表着芯片的性能和成本效率——开始成为更具意义的衡量指标。

        最终，即便是微处理器也停止了这种在加工技术允许的条件下尽可能快的增容趋势。现在的加工工艺已经允许人们以经济节省的方式在一块逻辑芯片上放置一百多亿个晶体管。但是目前只有少数几款芯片在元件数量方面能够接近这一数值，主要原因在于我们的芯片设计水平跟不上。

        目前，摩尔定律1.0对于高端图形处理器、现场可编程门阵列以及极少数用于超级计算机的微处理器而言仍旧有效。但在其他方面则是摩尔定律2.0占据主导地位。如今，摩尔定律再一次进入了变化过程。

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        发生改变的原因在于微型化的优势正在逐渐消退。变化过程始于21世纪初，当时一个令人不快的事实正开始显现。那时，晶体管的尺寸已经缩小到100纳米以下，登纳德的简单度规法则达到了极限。晶体管的尺寸已小到器件本应关闭的时候也极易逸出电子，导致了能源漏损，器件可靠性下降。尽管采用新的材料和加工工艺有助于解决这一问题，但工程师们还是被迫停止采用大幅降低供给晶体管电压的做法，以便确保电钳足够坚固。

        由于登纳德度规法则的分崩离析，现在的微型化工艺充满了各种权衡取舍。一味缩小晶体管尺寸已不再意味着更快的速度和更高效的性能。实际上，对于今天的晶体管而言，在缩小尺寸的同时想要维持其前一代产品的速度和耗电量都已十分困难。

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