摩尔定律的前70年

　　集成电路发明之后的不久，美国人戈登·摩尔就提出了著名的摩尔定律。在1965年时摩尔曾这样描述：“随着芯片上电路的复杂度提高，元件数目必将增加，然而每个元件的成本却每年下降一半”。

　　摩尔描绘的发展蓝图，果然在随后的十年得到了映证：芯片上元器件的数量从1965年的2的6次方个增加到了1975年的2的16次方。而摩尔最初的假设也被1975年推出的一种包含了65，000个元器件的16K CCD所证实了。

　　按照摩尔1965年的描述，芯片上元件的数量每两年增长一倍， Carve Mead首先将之称为“摩尔定律”。后来，此定律被修正为“每18个月增长一倍”。

　　摩尔的预测看似非常简单，实则对于半导体工业的发展的指导意义深远。对摩尔定律的解释也是多种多样，一些分析家预测摩尔定律终将失效——电路的复杂程度最终会达到极限。而本文将探讨的范围是摩尔定律的头70年，即1960年至2030年。

　　有关定义

　　当初摩尔并没有给电路的“复杂程度”下一个准确的定义，而人们将其大致理解为芯片上的元件数量。1975年那片验证了定律的16KCCD芯片，其每位CCD包含有4个元件。事实上随着半导体工业技术的进步，要实现同样的功能，使用的元器件数量会越来越少。

　　以下曲线是芯片复杂度变化的年表。图表显示，在1960~1970年间，“复杂程度”的发展确实表现为元器件数目的增长——正如摩尔最初描述的那样。1970年以后，随着DRAM及微处理器的发明，复杂程度便表现为DRAM的位数及微处理器中的晶体管数量。事实上，由于设备中集成了多种复杂电路，因此要使用单一的评价体系来判断所谓“复杂成度”是非常困难的。

　　在1960~1970年间，“复杂程度”的发展确实表现为元器件数目的增长，而1970年以后，复杂程度便表现为DRAM的位数及微处理器中的晶体管数量。

　　历史趋势

　　在以上曲线的第一段，即1960~1975年间，基本上符合每12个月元器件成本下降一半的规律。而1970年以后，所谓的复杂程度逐步取决于DRAM的位数及微处理器中的晶体管数量,此时对于复杂度的含义便得到了如下的拓展：

　　● 第一代 DRAM的复杂度为每18个月增加一倍，时间从1970年直至2004年,预计可达4GbDRAM。

　　● 由Intel引入的第一代微处理器的复杂度为每24个月增加一倍，时间从1970年至少到2000年。

　　● 在1970年的开始阶段，无论DRAM或是微处理器，其发展速率几乎相同，之后才逐渐显现区分，既按照DRAM为18个月、微处理器为24个月翻番的规律发展。

　　如果进一步观察曲线就会发现直至八十年代初以前，Intel的微处理器一直按每18个月增加一倍发展，而后才慢慢减缓至24个月。到了九十年代未期，微处理器的复杂度发展又开始加速，但总的来说自1970年至2000年期间，微处理器的发展还是保持着每24个月翻倍的态势。

　　复杂度定义的改变及DRAM和微处理器增加速率的不同，引发了半导体工业界究竟是18个月还是24个月发展翻倍的争论。看来真正的答案只能按照不同的器件类别及时间段来分别解释了。

　　当前趋势

　　半导体工业协会SIA在2001年版的ITRS中引用了每24个月翻倍的论点，并将其一直延伸至2020年。

　　如果依照每24个月翻倍理论推算，那么到2020年时DRAM将达terabit级,即100Gbit，而微处理器中晶体管数量将多达100亿个。难怪有人就会产生疑问：市场真的需要如此大容量的器件吗？事实上，现在在高密度数字图像处理领域或诸如天气预报之类的大容量数据处理方面还是广泛需要大容量的器件的。无论如何，半导体工业发展将继续按照电路的复杂度提高、芯片尺寸缩小及芯片每位的成本下降的趋势进行下去。

　　半导体工业的未来

　　2004年以后，半导体工业无论从技术上或者是成本上的挑战都越来越激烈，各种关键问题综合在一起，而且几乎要同时得到解决。如硅片尺寸的继续扩大；新材料、新工艺和新电路结构的采用都使得工业制造难度显著提高。同时为了实现以上的要求，固定资产的投入必然加大，这就导致电路成本急剧增加且工业的风险程度明显上升。现在的半导体设备工业也要从投资回报率的角度来考虑，跟随ITRS的现实意义到底在哪里？

　　2003年版的ITRS表明，由2004年起半导体工业还是按36个月翻倍的趋势。由此，DRAM也不可能再维持每18个月翻倍的态势。实际上无论DRAM或是微处理器的发展都有可能继续遵循30～36个月翻倍的规律，当然技术和成本上都要克服许多难题。如果按30～36个月速度推算，要到2024～2029年才可能出现100Gb的DRAM。

　　另一大问题是市场的需求。即市场是否需要如此大的DRAM以及它的性价比能否满足市场的要求。事实上，DRAM的发展速度最终将由市场决定。

　　所谓的摩尔定律实际上并不是一个物理定律(定律是放之四海而皆准)，而是一种预言。它鞭策工业界不断地改进，并努力去实现它。从根本上讲摩尔定律是一种自我激励的机制，它让人们无法抗拒，并努力追赶。当然，社会的实践最终给摩尔定律打上了正确的标签。

　　归根结底，近40年的实践证明摩尔定律有利于工业的发展及人类的需求。直至今日，半导体工业还是按照DRAM每18个月、微处理器每24个月翻倍的规律发展着。

　　结论

　　摩尔定律象一盏明灯照亮了全球半导体工业的前进的方向。对它人们己经无法抗拒，只要半导体技术和经济的发展还能满足市场的需要，摩尔定律就将继续生存下去，需要改变的无非是速度的减缓，由18个月，24个月到30个月，36个月甚至48个月……

　　至于半导体技术将会发展到22纳米，16纳米还是9纳米，实际上己并不重要，定律终有尽头,它也不可能无休止地下降成本。

　　相信当人们还没来得及争论清楚到底是“多少纳米”或是“多少个月”之前，半导体工业就会有另一种新的材料或新的电路结构来替代目前的硅器件了。不过，摩尔定律对于人类的巨大贡献将永载史册。