摩爾定律是芯片産業創新精神的展現。

1965年摩爾在爲仙童的發(fā)展做規劃時(shí)，畫了一張草圖：縱軸代表芯片上的晶體管數目，橫軸爲時(shí)間，結果是很有規律的幾何增長(cháng)。這(zhè)是一個對(duì)後(hòu)來芯片行業極爲重要的定律。該定律以3頁紙的篇幅發(fā)表在1965年4月19日第35期《電子》雜志上，這(zhè)是對(duì)半導體工藝、設計的複雜性，甚至半導體工業規模最準确的預測。

摩爾預言，芯片上的晶體管數目，將(jiāng)以指數形式增長(cháng)，速度是每年翻一番，後(hòu)來被(bèi)修正爲18個月，摩爾說在今後(hòu)數十年内這(zhè)種(zhǒng)勢頭不會(huì)輕易改變。摩爾的預言，被(bèi)後(hòu)來芯片的發(fā)展得以證明，直到今天仍然有效，因此被(bèi)人譽爲摩爾定律。

摩爾定律的含義是：随著(zhe)半導體産量和集成(chéng)度的提高，成(chéng)本會(huì)進(jìn)一步降低。在當時(shí)技術條件下，芯片中集成(chéng)的元件數量同單位成(chéng)本成(chéng)反比，如果芯片過(guò)于複雜，超出了當時(shí)生産條件的允許，那麼(me)單位成(chéng)本會(huì)不降反升。 

摩爾在論文中提到“各種(zhǒng)技術發(fā)展迅速且趨于一緻。當今許多參與集成(chéng)電子的人認爲，最終將(jiāng)各種(zhǒng)方法結合起(qǐ)來，最大限度地利用每種(zhǒng)方法，將(jiāng)每種(zhǒng)方法用于特定應用，這(zhè)將(jiāng)是未來的方式。半導體集成(chéng)電路的倡導者正在利用薄膜的改進(jìn)特性通過(guò)將(jiāng)這(zhè)種(zhǒng)薄膜直接應用到有源半導體基闆上來制造電阻器，而那些提倡基于薄膜的技術的人正在開(kāi)發(fā)用于將(jiāng)有源半導體器件連接到無源薄膜陣列的複雜技術。這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)方法都(dōu)運作良好(hǎo)，并且正在今天的設備中使用。”

基于逐年晶體管數量表，預測半個世紀的進(jìn)步

圖 1 顯示了 1962 年、1965 年和 1970 年估計的集成(chéng)功能(néng)中每個組件的相對(duì)成(chéng)本與每個集成(chéng)電路的組件數量的關系圖。

顯然，這(zhè)樣(yàng)的曲線隻能(néng)是定性的，因爲實際成(chéng)本是特定電路規格的強函數。在這(zhè)個複雜度相對(duì)較低的對(duì)數圖中，每個組件的成(chéng)本幾乎與每個電路的組件數量成(chéng)反比。這(zhè)是等效封裝中包含更多組件的等效半導體的直接結果。随著(zhe)技術發(fā)展過(guò)程中任何給定點的複雜性增加，每個組件的最低成(chéng)本都(dōu)會(huì)達到，超過(guò)此成(chéng)本的産量下降超過(guò)了對(duì)複雜性增加的補償。估計目前每個組件的最低成(chéng)本就(jiù)在附近每個電路 50 個組件 整個曲線下降時(shí)，最小值正迅速向(xiàng)更高的複雜性發(fā)展。底部曲線表明，在每個電路 1000 個元件數量級的電路中，五年内每個元件的最低成(chéng)本可能(néng)會(huì)達到預期，前提是可以發(fā)現此類電路功能(néng)可以以中等數量生産。在這(zhè)種(zhǒng)情況下，每個組件的制造成(chéng)本預計至少比目前低一個數量級。 

圖 2 顯示了與每個組件的最低成(chéng)本相對(duì)應的電路複雜性的外推。

該圖上的第一個點對(duì)應于第一個平面(miàn)矽晶體管的制造，這(zhè)可以被(bèi)認爲是當前半導體集成(chéng)技術的起(qǐ)點。最低組件成(chéng)本的複雜性以每年大約兩(liǎng)倍的速度增加。當然，在短期内，如果不增加的話，這(zhè)個速度預計會(huì)繼續下去。較長(cháng)期的外推有點模糊，盡管沒(méi)有明顯的理由在曲線與圖表頂部相交之前停止曲線。這(zhè)條曲線是故意用一個相當模糊的單位作爲縱坐标繪制的，這(zhè)樣(yàng)可以理解曆史數據的外推邏輯，而不會(huì)混淆所暗示的絕對(duì)數字。

摩爾如何解決摩爾定律？

事(shì)實上，頂部對(duì)應于每個集成(chéng)電路大約 65000 個元件。人們必然會(huì)質疑這(zhè)種(zhǒng)複雜性的集成(chéng)陣列的合理性。首先，即使忽略良率，這(zhè)麼(me)大的電路可以在單個晶片上制作嗎？其次，對(duì)現有能(néng)力的任何合理推斷是否與這(zhè)種(zhǒng)複雜性兼容？第三，這(zhè)樣(yàng)的功能(néng)産生的熱量是否可以去除？

對(duì)此摩爾提出觀點，使用提供必要靈活性的封裝和互連技術從較小的功能(néng)構建大型系統可能(néng)在經(jīng)濟上更爲合理。大型功能(néng)的可用性以及功能(néng)設計和構建的可能(néng)性應該對(duì)大型系統的制造商産生非常重要的影響，使他們能(néng)夠快速且經(jīng)濟地設計和構建各種(zhǒng)設備。

就(jiù)實現大功能(néng)的技術而言，存在多種(zhǒng)可能(néng)性，其中任何一種(zhǒng)都(dōu)能(néng)夠發(fā)展到使這(zhè)些陣列可行的程度。目前尚不清楚其中一個是否會(huì)占主導地位，或者是否會(huì)采用組合。 一種(zhǒng)可能(néng)性是繼續要求陣列中的每個組件都(dōu)是好(hǎo)的，以便陣列可以接受。這(zhè)種(zhǒng)方法最大限度地依賴于處理。 另一種(zhǒng)方法是測試注定要連接的較小的子單元。 

就(jiù)其本質而言，這(zhè)些元素需要將(jiāng)能(néng)量存儲在一個體積中。對(duì)于高 Q 值，體積必須很大。大體積和微電子的不兼容從術語本身就(jiù)很明顯了。某些共振現象，例如壓電晶體中的共振現象，可以預期在調諧功能(néng)方面(miàn)有一些應用，盡管電感器和電容器將(jiāng)伴随我們一段時(shí)間。未來的集成(chéng)射頻放大器很可能(néng)由集成(chéng)增益級組成(chéng)，以最小的成(chéng)本提供高性能(néng)，并穿插相對(duì)較大的調諧元件。 

其他線性功能(néng)也將(jiāng)受益匪淺。集成(chéng)結構中類似組件的匹配和跟蹤將(jiāng)允許設計性能(néng)大大提高的差分放大器。使用熱反饋效應將(jiāng)集成(chéng)結構的溫度穩定到一小部分，將(jiāng)允許構建具有晶體穩定性的振蕩器。

即使在微波領域，包含在集成(chéng)電子定義中的結構也將(jiāng)變得越來越重要。與所涉及的波長(cháng)相比，制造和組裝組件的能(néng)力將(jiāng)允許使用集總參數設計，至少在較低頻率下是這(zhè)樣(yàng)。目前很難預測集成(chéng)電子設備對(duì)微波區域的入侵範圍有多大將(jiāng)會(huì)。使用多種(zhǒng)集成(chéng)微波電源成(chéng)功實現相控陣天線等項目可能(néng)會(huì)徹底改變雷達。這(zhè)樣(yàng)的系統是一種(zhǒng)明顯的可能(néng)性。

摩爾在57年前曾預言“集成(chéng)電子技術將(jiāng)使電子技術的優勢在整個社會(huì)中得到普遍應用。雖然主要影響將(jiāng)在數字設備上，并將(jiāng)導緻數字電路技術的廣泛使用，但所有電子産品都(dōu)將(jiāng)受到強烈影響（strongly effected）。”

多年來，規模複雜性推動了摩爾定律和半導體行業的指數級技術增長(cháng)。摩爾定律不同于牛頓運動定律，但自從1975年它被(bèi)證明正确後(hòu)，半導體制造商一直在努力延續這(zhè)一定律。

本質上來說，摩爾定律更像是仙童和英特爾的發(fā)展戰旅，是一種(zhǒng)以規模降低成(chéng)本、提高效益和競争力的模式。但摩爾定律輝煌的57年，更展現了引領芯片産業發(fā)展的創新精神。

作者：半導體産業縱橫編輯部