摩爾定律50年,它當年是如何產生的?

如果將摩爾定律比為一個人,到今年他已經是個50歲的中年人了。在這五十年中電子產業遵循著摩爾定律獲得了巨大的進步,然而在今天人們也會想知道摩爾定律是否已經過時,它還能不能適應時代繼續對於未來電子產業發展起到指導作用。在本文中我們將回到上世紀60年代,看看摩爾是在什麼樣的時代背景與實踐中提出摩爾定律,發現摩爾定律中不被重視的另一面。
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Photo by Steve Jurvetson

文章來源:Spectrum.ieee,原作者:Chris Mack,TECH2IPO/創見陳錚編譯; 如果將摩爾定律比為一個人,到今年他已經是個 50 歲的中年人了。在這五十年中電子產業遵循著摩爾定律獲得了巨大的進步,然而在今天人們也會想知道摩爾定律是否已經過時,它還能不能適應時代繼續對於未來電子產業發展起到指導作用。在本文中我們將回到上世紀 60 年代,看看摩爾是在什麼樣的時代背景與實踐中提出摩爾定律,發現摩爾定律中不被重視的另一面。


半個世紀前 ,一個名叫戈登摩爾的年輕工程師仔細觀察他所在的新興行業,並且對於接下來十年中在這一行業裡會發生的各項大事件做出了自己的預測。

這篇長達 4 頁的預測文章被刊登在 Electronics 雜誌上,這位年輕工程師預測在未來會出現家用計算機、行動電話以及擁有自動駕駛系統的汽車。他在文章中預測積體電路上可容納的電晶體數量將每年穩定地增加一倍,這會使得積體電路越來越經濟實惠,而這也就是驅使他筆下那些奇思妙想的技術化為現實的動力。

在文章發表十年之後,這一描述積體電路上電晶體指數式增長的「摩爾定律」並沒有停止下來的跡象。時至今日,摩爾定律在近五十年來的科技高速發展進程中貫穿始終,遵循著摩爾定律的現代科技為人們的生活帶來了計算機、個人電子設備以及傳感器。摩爾定律對於現代化生活的影響是難以計量的,如果沒有積體電路的不斷發展,我們坐不了飛機,打不了電話,甚至連洗碗機都用不了,更別提發現上帝粒子與創造網際網路了。

但是說到底,摩爾定律究竟是如何影響了我們的生活,它為什麼能夠取得這樣的成就?摩爾說明了技術進步是毋庸置疑且勢不可擋的,還是它僅僅反應了在一個特殊時期中的技術發展狀況?時至今日,我們還能用摩爾定律來解釋最近十幾年計算機方面的技術進步與創新進展嗎?

在我看來,摩爾定律的地位是毋庸置疑的。摩爾定律是時代的證明,它代表了人類的辛勤工作、聰明才智以及來自自由市場的激勵。摩爾的預言在起初只是對於一個新興產業的簡單觀察總結,但是隨著時間的推移,它已經成為了一種自我實現的預期。摩爾定律的實現是由千千萬萬創新公司與工程師們持續創造的結果,他們能夠從摩爾定律中看出行業發展的潛力,並且竭盡全力去保持技術上的領先地位,否則就會冒著落後於競爭對手的風險。

不過我也想說,

儘管摩爾定律被無休止地套用在解釋各類技術進步上,但是它並不僅僅是一個簡單的概念。摩爾定律的含義在這幾十年的發展中經過了反反覆覆的改變,直到今天它依然在不斷變化。如果我們想要從摩爾定律中領悟技術進步的本質以及從中預測未來的發展,那就還需要進行深入地了解與觀察。

在上個世紀 60 年代 ,當時矽谷還沒有名滿天下,年輕的戈登摩爾在 快捷半導體公司 擔任研發主管。在從肖克利半導體實驗室出走之後,他與別人一起在 1957 年成立了這家公司。在這家公司中,他們一起完成了矽晶體管的早期研發工作。

快捷公司是當時為數不多的針對矽電晶體進行開發的公司,電晶體是一種可變電流開關,能夠基於輸入電壓控制輸出電流,並可用於計算和儲存數據。快捷公司很快就從中發現了利基市場。

在當時,大多數的電路是由單個電晶體、電阻、電容以及二極管連接組成,它們被手動組裝在一塊電路板上。而在 1959 年, 快捷半導體公司 的赫爾尼發明了平面電晶體,取代了之前的檯面電晶體。

有了這種平面電晶體,工程師就可以將多個電晶體佈線互聯在一起,安裝在在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上,製作出一種被稱為「積體電路」的東西。德州儀器的傑克基爾比是積體電路方面的先驅者,他首先想到了電阻器和電容器 (無源元件) 可以用與電晶體 (有源器件) 相同的材料製造。

摩爾的同事羅伯特•諾伊斯則用實踐顯示了平面電晶體可以被用來製造積體電路,透過給電晶體管覆蓋一層絕緣的氧化物塗層,然後添加鋁線去連接不同的電晶體就可以實現。快捷公司將這種新的製造工藝投入到了首個矽積體電路的製作中,這種矽積體電路於 1961 年面世,剛剛開始只包含了 4 個電晶體。到了 1965 年,該公司已經能夠製作出包含了 64 個電子元件的積體電路。

有了這些前期知識的積累,摩爾在 1965 年發表的一篇論文中做出了大膽的結論:積體電路代表了電子產業未來發展方向。這聲明在今天看來當然是不言自明的,但是在當時那個年代卻引起了爭議。很多人都質疑摩爾的觀點,認為積體電路不過是電子產業中的一個小小分支。

這些質疑是可以被諒解的,因為在當時積體電路的工藝比其他手工電路板產品複雜得多,而且也貴得多——從今天的計算角度來看,在當時積體電路的成本高達 30 美元,而單個組件的成本不到 10 美元。在那個年代,生產積體電路的公司屈指可數,而他們真正的顧客也只有美國航太總署以及美國軍方。

不過讓問題更加複雜的是當時的電晶體並不可靠。據摩爾回憶,在當時單個電晶體大約只能發揮出 10%-20% 的功效。當你將多個電晶體集成在同一塊電路板上,雖然期望它能夠發揮出最大的功效,但其實效果並不盡如人意。之所以會出現這種狀況,是因為這種操作邏輯是有缺陷的。雖然有 8 個電晶體被集成在同一塊電路板上,實際上它們並不能發揮出整體的效果,其工作效果還是等同 8 個獨立的電晶體。這是由於每個晶體管發生故障的概率是獨立的,且這種故障是隨機出現的,比如飛濺的油漆就能讓

電晶體失效。如果兩個相鄰的電晶體中有一個發生了故障,那這兩個電晶體就會同時罷工。因此也就是說當把兩個電晶體連接在一起時,就要冒著全軍覆沒的風險。

雖然面臨種種困難,摩爾仍然堅信積體電路總有一天會被證明是一種經濟實惠的選擇。在他 1965 年發表的論文中,摩爾為了證明積體電路將擁有光明的未來,將快捷公司的第一代平面電晶體以及後續生產的一系列積體電路作為參照,構建了一個對數模型。在該模型中,他發現隨著時間發展,每年積體電路上的元件數量就會增加一倍。

透過在模型中加上一條小小的趨勢線,摩爾做出了一個大膽的推斷:這種增長趨勢將持續 10 年。到了 1975 年,他又預測人們將親眼目睹積體電路上的元件數量從 64 增長到 65000。這個預測已經相當接近現實。在 1975 年時,英特爾公司準備生產的 感光耦合元件(CCD)記憶體晶片上就已經包含 32000 個元件,只要經過一年的發展,其結果就會與摩爾的預測相當接近。而這家英特爾公司正是在 1968 年摩爾與諾伊斯、葛羅夫脫離了快捷公司後成立的。

摩爾定律被忽視的內容

當我們回顧摩爾這篇重要的論文時,會從中發現一些被人忽視的細節。首先,摩爾的預測針對的是積體電路上的電子元件數量,而不僅僅是電晶體,電子元件中還包括了電阻、電容和二極管。在發展初期,積體電路中的電阻比晶體管還多。而後來當金屬氧化物半導體場效應晶體管出現之後,積體電路上晶體管之外的電子元件所需越來越少,這也就意味著數位時代開始了。電晶體在積體電路中起到主導作用,而對於積體電路複雜性的衡量則主要依據它所包含的電晶體數量。

這篇文章還揭露摩爾對於積體電路所帶來的經濟效益的關注。在摩爾定律中所說的電子元件的數量,並不是指晶片上所包含的最大元件數量或者平均數量,而是指每個元件的成本都能達到最小時積體電路上可以包含的元件數量。摩爾內心明白,在一個積體電路上所能夠放置的元件數量並不是越多越好,多並不一定代表著就是經濟實惠的選擇。在每一代晶片製造技術發展過程中,積體電路中的元件數量都有著符合當時實際情況的最佳平衡點。隨著你往積體電路上添加越來越多的元件,分攤到每一個元件上面的成本是降低了,但是一旦這個數量超過了特定值,試圖往積體電路中添加更多的電晶體就會使得缺陷出現的可能性增加,並降低了可用晶片的收益。只要超過了這個特定值上,每個元件的成本就會開始增加。發展到今天,積體電路設計與製造的目標仍然是將其電子元件控制在最佳平衡點上。

事實上,我並不認為摩爾定律在今天已經不能預測現實了,我認為摩爾定律再次處於一個變革的邊緣。

晶片製造技術已經取得了長足的進步,最佳平衡點也隨之不斷提升,積體電路上的元件數量越來越多的同時其製造成本也在降低。在過去的 50 年中,電晶體的製造成本已經從 30 美元下降到了今天幾乎不要錢的地步。我想即使是摩爾本人,可能也沒有預見到電晶體的成本會有到如此巨大的變化。但是在 1965 年時,他就已經認識到積體電路不會一直這麼價格高昂,會有高性能且廉價的組件對於現有的元件進行替代,積體電路的發展趨勢是成為性能好、價格低的產品。