摩尔定律知识汇总

摩尔定律知识汇总已经稳固运行了 50 年之久的摩尔定律就将迎来终结，但这背后也蕴藏着大量的机会。

原文来自 Rodney Brooks 的博客。

摩尔定律到底从何而来Moore, Gordon E., Cramming more components onto integrated circuits, Electronics, Vol 32, No. 8, April 19, 1965.Electronics 是一本 1930 年到 1995 年期间出刊的贸易期刊。

1965 年，戈登·摩尔(Gordon Moore)发表于上的一篇长达四页半的文章可能是这本期刊最著名的文章了。

这篇文章不仅阐明了一个趋势的开始，而且这种趋势逐渐成为一个目标/法则，统治了硅基电路产业(这是我们的世界中每一个数字设备的基础)五十年。

摩尔是加州理工学院博士，是 1957 年成立的仙童半导体公司的创始人之一，同时自1959 年起担任该公司的研发实验室主任。

仙童是以制造硅基半导体起家的，当时大多数半导体还是以锗为材料的，这种半导体工艺非常缓慢。

你可以从网络上搜到大量声称其原稿复印件的文件，但是我注意到其中有一些所谓的原稿中的图是重新画上去的，与我一直看到的原稿有些不同。

下面我将再现原稿中的两张图表，据我所知，我的这份复制版是该杂志原稿的唯一复制版本，没有手动/人工的痕迹。

首先我要再现的是摩尔定律起源精华。

然而，该论文中还有一个同样重要的早期图表，预测可能出现的硅基功能电路的未来产量。

它的实际数据比这个少，而且正如我们所看到的，这张图表包含了真实的未来。

这是一张关于集成电路上元件数量的图。

集成电路是经由一个类似于印刷的过程生产出来的。

光以数种不同的模式打到薄薄的硅晶圆(wafer)上，同时会有不同的气体填充进它的气囊中。

不同的气体会在硅晶圆表面引起不同的光致化学反应，有时会沉积某些类型的材料，有时会腐蚀材料。

有了能塑造光线的精确光掩模(mask)，精确控制好温度和曝光时间，就能打印出一个二维电路。

该电路上有晶体管、电阻和其它元件。

其中很多可能是在单个晶圆上一次成型的，就像许多字母在一页纸上一次性印刷一样。

在任意一个做好的晶圆上电路上，其良率是质量合格的芯片占一个晶圆上芯片总数的比例。

然后这块硅晶圆会被切成几块，每一块上都包含了一个芯片，而且每一个电路都放在自己的塑料封装中，只露出几只小「腿」作为连接线，如果你观察一张过去四十年里芯片版图，你会上面充满了大量的集成电路。

单个集成电路中的元件数量很重要。

既然集成芯片是打印出来的，过程中就没有人工的痕迹，这不同于早期的电子产品，其中的每个元件都需要手工放置和添加。

现在一个包含了多个集成电路的复杂电路仅需要手工组装这些集成芯片就可以了，而且后来这道工序也很大程度上了。

只要有一个良率不错的生产过程，那么造出一块单个集成芯片的时间就是恒定的，不管组件的数量是多少。

这意味着总共需要手工或者机器连接的集成芯片数量较少。

所以，就像摩尔那篇论文的标题所说，把更多的元件集成到一个单个集成芯片上是一个很好的主意。

该图竖轴表示的是一块集成芯片上的组件数的以 2 为底的对数，横轴表示的是年份。

左起一直向上延伸的每一个缺口都会将元件的数量增加一倍。

所以 3 指的是 2 的三次方，等于 8，13 指的是 2 的 13 次方，等于 18192。

从 1962 年到 1972 年，元件数量增加了 1000 倍。

这里有两件事需要注意第一是摩尔这里讨论的是一块集成电路上的元件，不仅仅是晶体管的数量。

一般来说元件的数量比晶体管要多出很多，虽然这一比率会因为使用不同基本类型的晶体管而随着时间的推移下降。

但在后来的几年里，摩尔定律经常变成纯粹的晶体管计数。

另一件事是 1965 年发表这张图中只有四个真实的数据点。

而在1959 年组件的数量是 2 的零次方，也就是 1，根本算不上是一块集成电路，因为那只是单个电路元件——那时集成芯片尚未发明。

所以这是一个空数据点。

之后他绘制了四个实际数据点，我们假设是从仙童公司可能产生的数据中采集的。

1962、1963、1964、1965 这四个年份对应的数据点分别是 8、16、32 和 64。

这里面的机制是什么，它怎么能起作用的?它能起作用是因为它在数字域中，也就是 yes 或 no 的域，0 或 1 的域。

在这篇四页半页的文章的后半页，摩尔解释了他的预言的局限性。

他说对于一些东西，如储能，他预测的趋势就不起作用。

能量占用一定数量的原子和电子来储存一定数量的能量，所以你不仅不能随便改变原子的个数还需要存储相同量的能量。

同样，如果你有一个半加仑的牛奶容器，你不能在里面放一加仑牛奶。

然而基本的数字抽象是 yes 或者 no。

集成芯片中的电路元件只需要知道先前的元件是 yes 还是 no，不管是否存在电压或电流。

在设计阶段一决定多少伏特或安培以上为 yes，多少以下为 no。

这些数字之间需要有一个很好的分割，区分出一个显著的中间区域与最大值区域或最小值区域。

但是区域的幅度不会有什么影响。

我喜欢把它想象成一堆沙子。

桌子上有或没有一堆沙子?或许我们需要确定一下大概多少沙子才能算得上是一堆沙子。

但是正常情况下，把一堆沙子减半，我们仍然可以说桌子上有一堆沙子。

然后我们能再次将这个数量减半。

并且，yes 或 no 的数字抽象依然可以起作用。

我们还可以再减半，同样没问题。

就这样，一次一次一次减半下去。

这就是摩尔定律的原理，最初的定理是这样描述的：我们将会看到集成芯片上的元件数量每年增加一倍，从 1965 年到 1975 年持续 10 年。

其他版本的摩尔定律接踵而至;这些定律都是关于翻倍的，但是有时翻倍的是其他东西，并且翻倍需要的时间常数会稍长。

最流行的版本是晶体管数翻倍、晶体管的开关速度翻倍、单个芯片上的存储空间翻一倍、计算机的二级内存翻一倍——其最初是在机械磁盘上，但是最近五年已经升级成固态闪存的形式。

还有很多其他的版本。

让我们暂时回到最初版的摩尔定律。

一块集成芯片上的元件是分布在一块二维硅晶圆上的。

因此，为了使相同数量的硅的数量增加一倍，就需要将每单位面积的元件数量增加一倍。

那就意味着一个元件的大小，在硅晶圆的每一个线性维度上要降低到原来的二分之一。

反过来，那就是说，摩尔知道每个元件的线性维度会逐年下降 71%。

但是为什么会限制在每年两倍的数量上?考虑一下上面提到的沙堆模拟，为什么不能是四分之一或者十六分之一堆的沙子作为基数呢?当你缩小元件的尺寸(通常称为 feature size，特征尺寸)时，问题就又回到某个集成芯片的良率上，也就是合格集成芯片的数量。

随着特征尺寸越来越小，芯片制作过程中广每一步的光的投射模式的对准需要更加精确。

因为√2=1.41，当你将特征尺寸减半才能得到更好的良率。

而且因为材料中的杂质也会被带到芯片中，从循环中的气体中而来并且经过光化学反应的材料，因此气体必须是高纯度的，这样每个元件中的留存的坏原子才会更少。

摩尔定律最初的版本中隐晦提到生产设备有望在下面的 10 年中，每年提升 29%。

在后来多种版本的摩尔定律中，翻倍的时间常数延伸到 2 年，甚至还要长一点。

但是处理设备会在每个周期提升 29%。

要见识摩尔定律原理的魔力，让我们先来看看 25 次翻倍。

该设备必须用比它小√2 的 25 次方倍的东西操作，即，大约小 5793 倍。

然而我们可以在单个芯片上安装 2 的 25 次方个组件，其数量可以达到 33,554,432 倍之多。

我们设备的精确度已经提升了 5793 倍，但是，由于线性对区域的影响，在原来 5793 倍的基础上，这一数字进一步加速了 5793 倍。

这就是摩尔定律收益的来源。

Moore 只是在最初的论文中隐晦地提出了这一定律，设备在接下来十年内逐年得到 29% 的提升。

事实上，翻倍所用的时间常数会更长。

现在终于到头了。

并不是因为设备良率的精确度不再提升了。

不是的。

而是因为我们拿来做比喻的沙堆变得小到里面只有一粒沙子了。

戈登·摩尔令人难以置信的洞察力或许让人印象最深刻的是摩尔对该定律对世界产生的巨大影响的远见。

下面是他文章中的第二段的第一句话：集成芯片会带来很多令人惊讶的技术，比如家用计算机，或者至少是终端连接在中央自动计算控制中心上的计算机，以及个人便携式通讯设备。

摩尔提到的这些东西在 1965 年都算的上惊世骇俗。

当时所谓的「微型计算机」还是桌子那么大的，用起来通常还要接一些外围设备，如磁带机、读卡器或打印机，这样的机器是很难进入日常家用厨房的，即便是把冰箱、烤箱和水池都扔出去，也很难放得下它。

当时的绝大多数人还没有见过计算机，跟计算机互动过的人就更少了。

而且通常情况下，使用这种设备的人需要把打孔卡片一张张拆开，然后当人把卡片都放入机器后，一天以后才能打印好。

以今天的标准来看，当时汽车电子系统非常简单，大约只有 6 个开关，若干个简单机电装置驱动转向指示，有挡风玻璃雨刮器，「分电盘」定时点燃火花塞——在自动电子设备中每一个单独的功能产生的丝毫机械都能大到用肉眼看见。

当时的个人沟通设备还是转盘拨号电话机，一个家庭一部，牢牢地固定在墙上。

顺便提一下，集成芯片做成的第一台计算机是用于阿波罗任务的制导系统计算机，命令模块(Command Module)中一台，月球登陆器(Lunar Lander)上一台。

这些集成芯片都是由戈登·摩尔的仙童半导体公司制造的。

第一版的计算机上有 4100 个集成电路，每一块都有一个 3 输入或非门(NOR gate)。

1968 年第一台功能更强大的载人飞行器仅有 2800 块集成芯片，每块芯片上有两个 3 输入或非门。

摩尔定律在初具成形时就已经开始影响月球了。

一点题外话原版的杂志文章中有这么一个漫画：在摩尔定律 40 周年庆上，我问摩尔博士这幅漫画是不是出自他自己的创意。

他回答说此事与他无关，文章中出现这个卡通也让他很吃惊。

我找不到关于这幅漫画来源的丝毫线索，我猜想是这幅漫画的作者可能对我上面引用的这句话有些不满。

漫画中的场景设在一个百货商店中，当时美国百货公司通常有一个「Notions」柜台区，我自己没有去过这样的地方，因为现在已经没有了(我是 1977 年到的美国)。

看起来，Notions 像是卖服饰用品的，比如一些用于缝纫的徽章、棉线、彩带等常用品。

另一边是化妆品专柜。

而这两个专柜的中间是便携式家用电脑专柜，售货员手里正拿着一台电脑。

我猜这位漫画家是想借此取笑摩尔的那个想法，试图指出它的荒谬。

然而 25 年后一切都过去了，当时百货店里卖的东西也烟消云散了。

买化妆品的专柜还在那里，notions 的柜台早已不见踪影。

这位漫画家只看到了他眼前的东西，却看不见未来的趋势。