摩爾定律
摩爾定律（英語：Moore's law）是指積體電路上可容納的電晶體數目，每隔約兩年便會增加一倍，由快捷半導體和英特爾創始人之一高登·摩爾（Gordon Earle Moore）提出。而經常被參照的「18個月」，則是由英特爾執行長大衛·豪斯（David House）提出：預計18個月會將晶片的效能提高一倍（即更多的電晶體使其更快），是一種以倍數增長的觀測。[1]
半導體行業大致按照摩爾定律發展了半個多世紀，對二十世紀後半葉的世界經濟增長做出了貢獻，並驅動了一系列科技創新、社會改革、生產效率的提高和經濟增長。個人電腦、網際網路、智慧型手機等技術改善和創新都離不開摩爾定律的延續[2]。
儘管近現代的數十年間摩爾定律均成立，但它仍應被視為是對現象的觀測或對未來的推測，而不應被視為一個物理定律或者自然界的規律。從另一角度看，未來的增長率在邏輯上無法保證會跟過去的資料一樣，也就是邏輯上無法保證摩爾定律會持續下去。近年來，行業專家尚未就摩爾定律何時停止適用達成共識。雖然原本預計摩爾定律將持續到至少2020年，[3]然而，2010年國際半導體技術發展路線圖的更新增長已經在2013年年底放緩[4]，低於摩爾定律預測的速度。但是，截至2018年，一些強大的半導體製造商已經開發出大規模生產的半導體元件製造工藝，據稱這些工藝與摩爾定律仍將保持同步。
發展歷程與未來展望
編輯過去的發展歷程
編輯隨著元件尺寸越來越接近物理極限，研發新一代的工藝節點時，僅縮小元件尺寸是不夠的。多家研究機構和半導體公司都在試圖改善電晶體結構設計，以儘可能地延續摩爾定律。
高介電常數（high-k）閘極介電層（gate dielectric）的出現使得閘極對電流的控制更有效，從45nm節點開始被採用。[5]
多閘極電晶體將閘極對電流的控制從溝道的一個表面增加到了三個表面，從22nm節點開始被採用。[6]
未來展望
編輯
為了讓摩爾定律延續到更小的元件尺度，學術界和工業界在不同的材料、元件結構和工作原理方面的探索一直在進行中。
探索的問題之一是電晶體的閘極設計。隨著元件尺寸越來越小，能否有效的控制電晶體中的電流變得越來越重要。相比於三面都有閘極的多閘極電晶體，奈米線電晶體將閘極四面圍住，從而進一步改善了閘極對電流的控制。
還能持續多久
編輯隨著新工藝節點的不斷推出，電晶體中原子的數量已經越來越少，種種物理限制約束著它的進一步發展。比如當閘極長度足夠短的時候，就會發生量子穿隧效應，會導致漏電流增加。關於摩爾定律的終點究竟還有多遠，看法並不一致。有預測認為摩爾定律的極限將在2025年左右到來，但也有更樂觀的預測認為還能持續更久。而作為悲觀者提供的實例，AMD EPYC CPU 64C 128T (ES)已不符合摩爾定律[7][8][9]。
有些預測則認為，當電腦技術發展到電晶體只需要一粒原子，即是摩爾定律結束的時候，但也可能會出現量子電腦普及，令摩爾定律繼續持續下去一段時間。[10]
概述
編輯1965年4月19日，《電子學》雜誌（Electronics Magazine）第114頁發表了摩爾（時任仙童半導體公司工程師）撰寫的文章〈讓積體電路填滿更多的元件〉，文中預言半導體晶片上整合的電晶體和電阻數量將每年增加一倍。
1975年，摩爾在IEEE國際電子元件大會上提交了一篇論文[11]，根據當時的實際情況對摩爾定律進行了修正，把「每年增加一倍」改為「每兩年增加一倍」，而現在普遍流行的說法是「每18個月增加一倍」。但1997年9月，摩爾在接受一次採訪時聲明，他從來沒有說過「每18個月增加一倍」，而且SEMATECH路線圖跟隨24個月的週期。
摩爾定律是簡單評估半導體技術進展的經驗法則，其重要的意義在於大抵而言，若在相同面積的晶圓下生產同樣規格的IC，隨著製程技術的進步，每隔一年半，IC產出量就可增加一倍，換算為成本，即每隔一年半成本可降低五成，平均每年成本可降低三成多。就摩爾定律延伸，IC技術每隔一年半推進一個世代。
1998年時，台積電董事長張忠謀曾表示，摩爾定律在過去30年相當有效，未來10到15年應依然適用。[12]
2009年時IBM的研究員預測，「摩爾定律」的時代將會結束，因為研究和實驗室的成本需求十分高昂，而有財力投資在建立和維護晶片工廠的企業很少。[13]而且製程也越來越接近半導體的物理極限，將會難以再縮小下去。
由於整合度越高，電晶體的價格越便宜，這樣也就引出了摩爾定律的經濟學效益，在20世紀60年代初，一個電晶體要10美元左右，但隨著電晶體越來越小，小到一根頭髮絲上可以放1000個電晶體時，每個電晶體的價格只有千分之一美分。據有關統計，按運算10萬次乘法的價格算，IBM704電腦為85美分，IBM709降到17美分，而60年代中期IBM耗資50億研製的IBM360系統電腦已變為3.0美分。
摩爾定律的定義歸納起來，主要有以下三種版本：
- 積體電路上可容納的電晶體數目，約每隔18個月便增加一倍。
- 微處理器的效能每隔18個月提高一倍，或價格下降一半。
- 相同價格所買的電腦，效能每隔18個月增加一倍。
以上幾種說法中，以第一種說法最為普遍；第二、三兩種說法涉及到價格因素，其實質是一樣的。三種說法雖然各有千秋，但在一點上是共同的，即「增加一倍」的周期都是18個月；至於增加一倍的是積體電路上所整合的「電晶體」，是整個「電腦的效能」、還是「一個美元所能買到的效能」，就見仁見智。
另一種說法
編輯摩爾定律雖然以高登·摩爾的名字命名，但最早提出摩爾定律相關內容的並非摩爾，而是加州理工學院教授卡弗·米德。米德是最早關注到摩爾定律所提出的電晶體之類的產量增加，就會引起其價格下降的現象。米德指出，如果給定價格的電腦處理能力每兩年提高一倍，那麼這一價位的電腦處理裝置同期就會降價一半。[14]
參見
編輯參考來源
編輯- ^ Kanellos, Michael. Moore's Law to roll on for another decade. CNET. 2003-02-11 [2020-11-14]. （原始內容存檔於2021-02-27） （英語）.
- ^ Keyes, Robert W. The Impact of Moore's Law. Solid State Circuits Newsletter. September 2006 [November 28, 2008]. （原始內容存檔於2014-10-17）.
- ^ Tech Industry: News. CNET. [2020-08-13]. （原始內容存檔於2014-03-04） （英語）.
- ^ 存档副本. [2013-08-08]. （原始內容存檔於2013-03-09）.
- ^ 存档副本 (PDF). [2016-04-04]. （原始內容 (PDF)存檔於2016-03-04）.
- ^ Intel® 22 nm Technology. Intel. [2020-11-14]. （原始內容存檔於2021-01-18） （英語）.
- ^ Kumar, Suhas. Fundamental Limits to Moore's Law. 2012 [2016-04-18]. （原始內容存檔於2021-03-07）.
- ^ The chips are down for Moore’s law （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Nature, February 2016
- ^ Smaller, Faster, Cheaper, Over: The Future of Computer Chips （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） NY Times, September 2015
- ^ Purdue University. Single-atom transistor is end of Moore's Law; may be beginning of quantum computing. Science Daily.
- ^ Moore, Gordon. "Progress in Digital Integrated Electronics" IEEE, IEDM Tech Digest (1975) pp.11-13.
- ^ 半導體產業未來發展（09/02/2011） - TSMC (PDF). [2013-06-15]. （原始內容 (PDF)存檔於2015-12-03）.
- ^ IBM研究員預測：「摩爾定律」的時代將要結束 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2009-04-16.
- ^ 克里斯·安德森，《免費：商業的未來》，北京：中信出版社，2009年第95頁
外部連結
編輯- （中文）摩爾定律邁入40週年 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- （英文）Computer History Museum - The Silicon Engine 1965 - Moore's Law Predicts the Future of Integrated Circuits （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）