集成電路發(fā)明之后的不久，美國人戈登·摩爾就提出了著名的摩爾定律。在1965年時摩爾曾這樣描述：“隨著芯片上電路的復(fù)雜度提高，元件數(shù)目必將增加，然而每個元件的成本卻每年下降一半”。
摩爾描繪的發(fā)展藍圖，果然在隨后的十年得到了映證：芯片上元器件的數(shù)量從1965年的2的6次方個增加到了1975年的2的16次方。而摩爾最初的假設(shè)也被1975年推出的一種包含了65，000個元器件的16K CCD所證實了。
按照摩爾1965年的描述，芯片上元件的數(shù)量每兩年增長一倍， Carve Mead首先將之稱為“摩爾定律”。后來，此定律被修正為“每18個月增長一倍”。
摩爾的預(yù)測看似非常簡單，實則對于半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展的指導(dǎo)意義深遠。對摩爾定律的解釋也是多種多樣，一些分析家預(yù)測摩爾定律終將失效——電路的復(fù)雜程度最終會達到極限。而本文將探討的范圍是摩爾定律的頭70年，即1960年至2030年。
有關(guān)定義
當(dāng)初摩爾并沒有給電路的“復(fù)雜程度”下一個準確的定義，而人們將其大致理解為芯片上的元件數(shù)量。1975年那片驗證了定律的16KCCD芯片，其每位CCD包含有4個元件。事實上隨著半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的進步，要實現(xiàn)同樣的功能，使用的元器件數(shù)量會越來越少。
以下曲線是芯片復(fù)雜度變化的年表。圖表顯示，在1960~1970年間，“復(fù)雜程度”的發(fā)展確實表現(xiàn)為元器件數(shù)目的增長——正如摩爾最初描述的那樣。1970年以后，隨著DRAM及微處理器的發(fā)明，復(fù)雜程度便表現(xiàn)為DRAM的位數(shù)及微處理器中的晶體管數(shù)量。事實上，由于設(shè)備中集成了多種復(fù)雜電路，因此要使用單一的評價體系來判斷所謂“復(fù)雜成度”是非常困難的。
在1960~1970年間，“復(fù)雜程度”的發(fā)展確實表現(xiàn)為元器件數(shù)目的增長，而1970年以后，復(fù)雜程度便表現(xiàn)為DRAM的位數(shù)及微處理器中的晶體管數(shù)量。
歷史趨勢
在以上曲線的第一段，即1960~1975年間，基本上符合每12個月元器件成本下降一半的規(guī)律。而1970年以后，所謂的復(fù)雜程度逐步取決于DRAM的位數(shù)及微處理器中的晶體管數(shù)量,此時對于復(fù)雜度的含義便得到了如下的拓展：
● 第一代 DRAM的復(fù)雜度為每18個月增加一倍，時間從1970年直至2004年,預(yù)計可達4GbDRAM。
● 由Intel引入的第一代微處理器的復(fù)雜度為每24個月增加一倍，時間從1970年至少到2000年。
● 在1970年的開始階段，無論DRAM或是微處理器，其發(fā)展速率幾乎相同，之后才逐漸顯現(xiàn)區(qū)分，既按照DRAM為18個月、微處理器為24個月翻番的規(guī)律發(fā)展。
如果進一步觀察曲線就會發(fā)現(xiàn)直至八十年代初以前，Intel的微處理器一直按每18個月增加一倍發(fā)展，而后才慢慢減緩至24個月。到了九十年代未期，微處理器的復(fù)雜度發(fā)展又開始加速，但總的來說自1970年至2000年期間，微處理器的發(fā)展還是保持著每24個月翻倍的態(tài)勢。
復(fù)雜度定義的改變及DRAM和微處理器增加速率的不同，引發(fā)了半導(dǎo)體工業(yè)界究竟是18個月還是24個月發(fā)展翻倍的爭論?？磥碚嬲拇鸢钢荒馨凑詹煌钠骷悇e及時間段來分別解釋了。
當(dāng)前趨勢
半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會SIA在2001年版的ITRS中引用了每24個月翻倍的論點，并將其一直延伸至2020年。
如果依照每24個月翻倍理論推算，那么到2020年時DRAM將達terabit級,即100Gbit，而微處理器中晶體管數(shù)量將多達100億個。難怪有人就會產(chǎn)生疑問：市場真的需要如此大容量的器件嗎？事實上，現(xiàn)在在高密度數(shù)字圖像處理領(lǐng)域或諸如天氣預(yù)報之類的大容量數(shù)據(jù)處理方面還是廣泛需要大容量的器件的。無論如何，半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展將繼續(xù)按照電路的復(fù)雜度提高、芯片尺寸縮小及芯片每位的成本下降的趨勢進行下去。
半導(dǎo)體工業(yè)的未來
2004年以后，半導(dǎo)體工業(yè)無論從技術(shù)上或者是成本上的挑戰(zhàn)都越來越激烈，各種關(guān)鍵問題綜合在一起，而且?guī)缀跻瑫r得到解決。如硅片尺寸的繼續(xù)擴大；新材料、新工藝和新電路結(jié)構(gòu)的采用都使得工業(yè)制造難度顯著提高。同時為了實現(xiàn)以上的要求，固定資產(chǎn)的投入必然加大，這就導(dǎo)致電路成本急劇增加且工業(yè)的風(fēng)險程度明顯上升?，F(xiàn)在的半導(dǎo)體設(shè)備工業(yè)也要從投資回報率的角度來考慮，跟隨ITRS的現(xiàn)實意義到底在哪里？
2003年版的ITRS表明，由2004年起半導(dǎo)體工業(yè)還是按36個月翻倍的趨勢。由此，DRAM也不可能再維持每18個月翻倍的態(tài)勢。實際上無論DRAM或是微處理器的發(fā)展都有可能繼續(xù)遵循30～36個月翻倍的規(guī)律，當(dāng)然技術(shù)和成本上都要克服許多難題。如果按30～36個月速度推算，要到2024～2029年才可能出現(xiàn)100Gb的DRAM。
另一大問題是市場的需求。即市場是否需要如此大的DRAM以及它的性價比能否滿足市場的要求。事實上，DRAM的發(fā)展速度最終將由市場決定。
所謂的摩爾定律實際上并不是一個物理定律(定律是放之四海而皆準)，而是一種預(yù)言。它鞭策工業(yè)界不斷地改進，并努力去實現(xiàn)它。從根本上講摩爾定律是一種自我激勵的機制，它讓人們無法抗拒，并努力追趕。當(dāng)然，社會的實踐最終給摩爾定律打上了正確的標(biāo)簽。
歸根結(jié)底，近40年的實踐證明摩爾定律有利于工業(yè)的發(fā)展及人類的需求。直至今日，半導(dǎo)體工業(yè)還是按照DRAM每18個月、微處理器每24個月翻倍的規(guī)律發(fā)展著。
結(jié)論
摩爾定律象一盞明燈照亮了全球半導(dǎo)體工業(yè)的前進的方向。對它人們己經(jīng)無法抗拒，只要半導(dǎo)體技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展還能滿足市場的需要，摩爾定律就將繼續(xù)生存下去，需要改變的無非是速度的減緩，由18個月，24個月到30個月，36個月甚至48個月……
至于半導(dǎo)體技術(shù)將會發(fā)展到22納米，16納米還是9納米，實際上己并不重要，定律終有盡頭,它也不可能無休止地下降成本。
相信當(dāng)人們還沒來得及爭論清楚到底是“多少納米”或是“多少個月”之前，半導(dǎo)體工業(yè)就會有另一種新的材料或新的電路結(jié)構(gòu)來替代目前的硅器件了。不過，摩爾定律對于人類的巨大貢獻將永載史冊。
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