芯思想 | 摩尔定律将继续影响电子信息产业的发展

1、引言

在半导体产业，摩尔定律是简单评估半导体技术进展的经验法则，其重要的意义在于长期而言，集成电路制程技术是以一直线的方式向前推展，使得集成电路产品能持续降低成本，提升性能，增加功能。

1965年时任仙童半导体研究开发实验室主任的戈登·摩尔应邀为《电子学》（Electronics Magazine）35周年专刊写了一篇观察评论报告，题目是："让集成电路填满更多的元件"，文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。1975年，戈登·摩尔在IEEE国际电子组件大会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正，把"每年增加一倍"改为"每两年增加一倍"。摩尔定律问世已超过50年，人们不无惊奇地看到半导体芯片制造工艺水平以一种令人目眩的速度提高。

摩尔定律手绘图（图片来源于网络）

后人深入研究摩尔定律，发现其核心内容主要有三个，一是集成更多的晶体管，每隔两年单芯片集成的晶体管数目翻一番；二是实现更高的性能，每隔两年性能提高一倍；三是实现更低的价格，单个晶体管的价格每隔两年下降一倍。

Intel的执行副总Bill Holt在ISSCC 2016的主题演讲中比较了两种情况下的处理器芯片生产成本，一种是十年内每年都利用部分利润根据摩尔定律的速度发展新制程（下图左），另一种是在十年内一直使用相同的旧制程（下图右）。比较的结果是，十年内按照摩尔定律发展新制程所生产的芯片成本与一直使用旧制程生产的芯片成本相比低了六成。所以说推动摩尔定律的是经济学。

芯片成本对比：制程进化（左）或不进化（右）

2、更多晶体管，更高的性能

摩尔定律提出后，全球半导体公司按照这一定律实现了产品更新战略。而1968年诞生的英特尔公司生产的中央处理器验证了该定律的准确性。1971年推出的i4004处理器只有2300个晶体管，而到2012年推出的Itanium9500已经集成超过31亿颗晶体管，性价比得到极大提升。

英特尔微处理器晶体管数量变化

为了集成更多的晶体管数量，全球半导体公司一直在提升工艺技术水平，从1971年10µm，到今天的16/14nm，而10nm工艺已经开发成功，7nm和5nm甚至3nm工艺都已经处于实验阶段。下表是全球集成电路制造工艺演变路线情况。

全球集成电路制造工艺演变路线

2016年英特尔因为由14nm向10nm工艺转换出现问题，提出停止采用"Tick-Tock"处理器升级周期，转而更换为处理器研发周期三步战略，即工艺制程Process、架构更新Architecture、优化Optimization，这样一来，产品的升级及更新周期将大幅延长，预示晶体管数量翻一番的时间将由于两年延长至三年甚至更长的时间，但并不表示摩尔定律失效。

3、更多晶体管，更低的价格

集成度越高，晶体管的价格越便宜，这样也就引出了摩尔定律的经济学效益，在20世纪60年代初，一个晶体管要10美元左右，但随着晶体管越来越小，小到一根头发丝上可以放1000个晶体管时，每个晶体管的价格只有千分之一美分。据有关统计，按运算10万次乘法的价格算，IBM704电脑为1美元，IBM709降到20美分，而60年代中期IBM耗资50亿研制的IBM360系统电脑已变为3.5美分。

4、摩尔定律未来发展趋势

1965年提出的摩尔定律绝对是半导体产业的一个重大事件，对世界来说也是一个重大事件。那么现在我们怎么来看待或评价它问世50年的影响？尽管在有些人的眼里，摩尔定律是不可能永远持续下去的，是必然会被终结。

2015年7月出版的国际半导体技术路线图(ITRS)显示半导体产业的晶体管体积缩减进程到了2021年将会停止，主要与2021年后持续缩减微处理器的电晶体体积，可能不再符合业者经济效益有关。但不可否认，摩尔定律从1965年以来的影响是巨大的，而未来其影响还将继续存在。

4.1制造工艺和新技术的发展进步

纽约城市大学物理学家加来道雄（Michio Kaku）在2012年表示导致摩尔定律失效的两大主因是高温和漏电。高温和漏电问题都需要通过制造工艺的进步来解决。

漏电产生的问题得益于3D晶体管的发明。随着摩尔定律的进步越来越艰难，科学家们也早就意识到了3D晶体管的必要性。事实上，英特尔早在2002年就宣布了3D晶体管设计，先后经过了单鳍片晶体管展示(2002年)、多鳍片晶体管展示(2003年)、三栅极SRAM单元展示(2006年)、三栅极后栅极(RMG)工艺开发(2007年)，直至2011年5月6日宣布研制成功首个3D晶体管"Tri-Gate"，公司声称22nm 3D Tri-Gate三维晶体管相比于32nm平面晶体管可带来最多37%的性能提升，而且同等性能下的功耗减少一半。

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