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。

关于高温问题，智能终端平台集成电路供应商都使用多核技术来进行破解。CPU/APU已经从单核时代历经2核、4核、8核、10核、16核心、32核心、64核。2016年6月美国加州大学戴维斯分校宣布他们研制出了世界上首款1000核的处理器(KiloCore)，包含6.21亿晶体管，每秒能够进行1.78万亿次运算，基于32纳米工艺制造，平均时钟频率能达到1.78GHz，在仅0.7W的情况下处理1150亿条指令/每秒，能耗比相当出色。

在多核发展的同时，英国的ARM公司推出big.LITTLE异构解决方案，将高性能（功耗高）的处理器与低功耗（性能偏低）的处理器封装在一起，以提高处理器的效率。三星在CES 2013大会上发布了首款采用Big.Little结构的八核移动处理器Exynos 5 Octa，采用了 28 纳米的制作工艺，功耗比市面上的四核处理器降低了70%，但是性能却提升了2倍之多。现在，Big.Little结成为智能终端平台集成电路供应商的首选。

4.2新材料的出现或将续写摩尔定律

摩尔定律将死的说法在业界传得沸沸扬扬，不过新材料的出现，总是会有所改变的，或可让摩尔定律迎来又一个拐点。在晶体管发明以前，没有人能预料到今天电子信息产业的繁荣。

尺寸缩小（Scaling）也许会越来越困难，在过去的20年时间里，尺寸缩小也曾多次遇到过技术门槛，但随着各种技术手段的投入保证了摩尔定律的持续作用，例如90nm时的应变硅、45nm时高k金属栅、22nm时的三栅极晶体管等。

ASM公司首席技术官Ivo J.Raaijmakers在ITF2016上指出，想要继续推进技术发展，我们需要在"材料、制程、结构"三个维度进行创新，IDM和Foundry厂商主要通过改变流水线（Pipeline）架构进行结构性创新，设备和材料供应商主要进行材料和工艺创新。

长期以来，研发人员就开始考虑使用其他新材料来改变现状。比如使用元素周期表上的第III族、第V族以及第II族、第VI族的元素来代替硅元素制作晶体管。实际上，锑化铟（InSb）、石墨烯（Graphene）、二硫化钼（Molybdenum Disulfide）、硼墨烯（Borophene）、铟镓砷化合物（IGA）、一氧化锡（SnO）等材料都有着不错的应用前景。与硅材料相比，这些材料能带来更快的开关速度、更低的功耗、更高的效率。而英特尔已也宣布，在达到7纳米工艺之后，将不再使用硅材料。

4.3昂贵的投资将延缓更新

由于集成电路制造工艺越来越先进，台积电、英特尔、三星、格罗方德等公司的16/14nm已经大规模量产，台积电宣布10/7nm即将投产，尖端制程导致新厂房的建设和新技术研发的投资越来越大，大多半导体公司无法承受新厂房建设和新技术研发所需的大量资金。如果没有大量的市场需求，并且不能有效的控制成本，集成电路提高性能的速度将放缓。

在维持摩尔定律领先优势面临的困难程度及成本大幅增高，致使业者验证以为继，从2001年有20余家开发和制造具优势技术逻辑芯片的业者规模，到如今仅剩下台积电、英特尔、三星电子、格罗方德、联电、中芯国际等6家业者，艰难可见不一斑。

4.4超越摩尔定律

各领域科学家以及产业分析师们都预测摩尔定律会失效。就连被称作"建立在摩尔定律之上"的英特尔宣布随着采用纳米导线等技术的新型晶体管逐渐取代传统的半导体晶体管，已经进入"大叔"级别的"摩尔定律"，将不能继续引领电子设备发展的节奏。

基于摩尔定律的这种情况，业界提出了"More-Than-Moore"（简称MtM，即"超越摩尔定律"），试图从更多的途径来维护摩尔定律的发展趋势，并且从摩尔定律的"更多更快"，发展到MTM的"更好更全面"。摩尔定律在逻辑类和存储类的集成电路的发展中提出和得到验证，而MtM则适用于更多类型的集成电路，如模拟、射频、图像传感器、嵌入式存储器、微电机、高压工艺等，通过改变基础的晶体管结构（SOI、FINFET），各类型电路兼容工艺，先进封装（晶圆级封装、SiP、3D多芯片封装）等技术，使一个系统级芯片能支持越来越多的功能，同样可以降低芯片的成本、提高电路的等效集成度。

超越摩尔定律（图片来源于网络）

5、总结

在1965年摩尔定律提出时，恐怕没有任何人能够想到，摩尔定律在千变万化的信息技术世界能够持续半个世纪，犹如一只看不见的大手推动着半导体产业的飞速发展。各种新出现的问题，都将延缓摩尔定律的发展。我们不需要纠结一个规律的存在，只需要注意一个规律给我们生活带来的变化。

就算在未来的某一天，摩尔定律失效，电子信息产业也会按照新的规律和方式向前发展。人类的智慧给了我们一个又一个的惊喜。通过无数人的艰辛努力，才有今天的智慧生活。我们不需要纠结摩尔定律会否有结束的一天，只希望科技的进步无休止。

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