穿越60年的神话：摩尔定律最新发展（上）

“摩尔定律’的定义已经涉及到几乎所有与半导体行业相关的事物，当它们被绘制在半对数纸上时，就近似于一条直线。——戈登·摩尔（Gordon Moore）”

本文探讨了摩尔定律的历史和现状。这并不是一篇对摩尔定律历史或半导体未来发展技术基础进行详细探讨的文章。相反，本文试图提供摩尔定律及其发展的高层次概述。在这次探究中，本文在几个关键点上借鉴戈登·摩尔自己的观点。

“距离60岁生日还有两年，摩尔定律变得有点像薛定谔的猫——同时存在死亡和活着两种状态。——经济学人，2023年12月16日”

任何关于半导体未来的讨论很可能都会从摩尔定律开始。最近《经济学人》上的文章“尚未完全消亡” 也遵循了这一常见模式。

近年来，摩尔的预测主导了该主题的讨论。这个谷歌Ngram模型显示了过去十年中“摩尔定律”如何在出版的书籍中几乎与该定律描述的“集成电路”这个词一样被频繁引用。

 或许我们不应该感到惊讶。随着个人电脑、互联网和智能手机改变了我们的生活和社会，摩尔定律也具有了反映这些变化重要性的文化意义。

然而，许多关于摩尔定律的讨论中都出现了不确切之处。有些评论者忘记了或刻意不去讨论摩尔定律的真正含义。例如，上面提到的《经济学人》最近发表的一篇文章介绍了一些重要且有趣的新技术，但值得注意的是，考虑到报纸的名字，它竟然没有讨论对“定律”至关重要的经济学。

这种不确切性可能是《经济学人》所提到的分歧的根源。摩尔定律仍然适用还是已经结束了？让我们来听听两位行业领袖的看法：

“摩尔定律已死”——黄仁勋，2022年9月

摩尔定律“仍然有效” ——Pat Gelsinger，2022年9月

黄仁勋说不，Pat说可以！那么，谁是对的呢？

这并不是摩尔定律第一次被宣布死亡，或者起码是即将死亡。下图是对“摩尔定律的终结”的进一步概括，自20世纪90年代末以来，这显然一直是一个热门的讨论话题。

英特尔的马克·玻尔 (Mark Bohr) 曾说过：

“摩尔定律的终结总是在10年后”，“是的，现在还有10年的时间。”

摩尔定律未来的不确定性是不可避免的。如果存在可预见的技术障碍，那么对是否应该继续实施的质疑是可以预料的。但正如我们所知，半导体行业一次又一次地突破了这些技术障碍。

在本文中，我们将再次回顾摩尔的原始预测和修订后的预测，并试图理解摩尔定律的真正含义。随后回顾有关摩尔定律预测目前状况的各种说法。最后，我们将简要了解在摩尔定律之后的生活可能会是什么样子。在这个过程中，我们的导师将是戈登·摩尔（Gordon Moore）本人。

 01 在摩尔定律之前

戈登摩尔并不是第一个预测单个集成电路上晶体管数量会大幅增加的人。1964年在纽约举行的IEEE会议上，西屋电气（Westinghouse）公司的Harry Knowles预测到1974年：“我们将在一个单片晶圆上看到250,000个逻辑门。”

摩尔当时就在听众席上，他后来回忆说，他认为诺尔斯的预测是“荒谬的”。他任职的仙童半导体（Fairchild）在努力将更多的逻辑门安装在一英寸的晶圆上。会议上的其他发言者对半导体技术的发展也持更加保守的观点，与诺尔斯的观点相矛盾，其他人认为他的预测是“疯狂的”。

摩尔定律（1965年版）

然而，摩尔很快发现诺尔斯的预测并不像他想象得那样疯狂。1965年，当他被要求为《Electronics》杂志撰写一篇关于半导体行业未来的文章时，他查看了自己关于已经取得的成就的数据：我发现随着制造技术的进步，每个元件点的最低成本在过去几年中迅速下降。根据这一观察，我获取了一些数据点并绘制了一条曲线，推断出需要预测的十年。

摩尔后来更详细地描述了他的方法：“从仙童半导体推出的早期‘Micrologic’芯片开始，我在1965年将集成电路的数据点绘制到了50-60个组件电路上。在半对数图上，这些点接近一条直线，直到1965年，其复杂性每年都增加一倍。为了进行我的预测，我只是将这条线在时间上再外推十年，并预测在商业上最复杂的电路中，元件数量将增加1000倍。” 

该推断的本质将构成“摩尔定律”的核心：“随着每个电路上的组件数量增加，单位成本下降，到1975年，经济可能会驱使在单个硅片上挤压多达65,000个组件。”

这与西屋电气公司诺尔斯的预测不完全一样，但仍然“疯狂”。

摩尔后来说，他没想到这个预测会得到如此精确的实现：“我只是想传达这样一个想法：这是一项有未来的技术，从长远来看，它有望做出相当大的贡献。”

如果我们采用摩尔引用的数字，那么1965年有50-60个组件，到1975年增加到65,000个，十年间增长约1,000倍。这相当于十年内组件数量每年翻倍。

摩尔定律（1975年版）

摩尔的一位朋友、加州理工学院的卡弗·米德很快将这一预测称为“摩尔定律”。1975年，摩尔重新审视了 “摩尔定律”。根据他的最新数据，他提出了修正后的预测：“到本世纪末，斜率可能每两年增加一倍，而不是每年增加一倍。”

摩尔随后使用这个新的斜率来推断了之后十年，即到1985年。

这个“1975 年定律”还有一个版本，涉及每18个月将（计算机性能）提高一倍，摩尔将其归因于英特尔的Dave House：“现在被引用的是每18个月翻倍……我认为是戴夫·豪斯（Dave House）做到了，他曾经在英特尔工作过，他认为复杂性每两年翻一番，晶体管变得越来越快，计算机性能每18个月就会翻一番……但这就是英特尔网站上的内容……以及其他所有内容。我从来没有说过18个月，但这是经常被引用的说法。在本文的剩余部分，我们将坚持摩尔自己的预测。

 02 摩尔定律的实践

那么摩尔的预测结果如何呢？

1995年，戈登·摩尔本人在一篇名为《光刻与摩尔定律的未来》的文章中重新审视了他的预测。他绘制了一张图表，显示尽管他的预测并没有完全准确，但变化的速度基本上在按照预测进行。

摩尔在其最初预测的40周年之际再次重新审视了他的预测。他再次发现，他修改后的预测结果很好。

关于到2020年的最新更新，我们可以访问“我们的数据世界”网站，该网站展示了CPU上晶体管数量的历史趋势：1965年，戈登·摩尔预测这种增长至少还会持续10年。这种预测是正确的吗？

在图表中，我们直观地看到了自1970年以来晶体管密度（集成电路上晶体管的数量）的增长情况。它看起来与1965年摩尔的简单绘图惊人地相似。请再次注意，晶体管数量位于对数轴上，因此线性关系意味着增长率是恒定的。这意味着晶体管数量的增长实际上指数级的。

来源：Max Roser, Hannah Ritchie

摩尔后来评论道：“我们无法预测未来会发生什么。这只是一个幸运的猜测，对我来说……幸运的推断。

事实证明摩尔的预测是一个“幸运的猜测”！

这一进展是如何实现的？

为了更深入地了解摩尔的预测如何应用于实践，值得考虑一下这一进展是如何实现的。Moore 在1975年对此进行了研究：

他将进展分为三个部分（参见上图，展示了摩尔过去的分析和1975年以来的短期推断）：

组件尺寸的减小；

半导体芯片尺寸的增加；

（摩尔称之为）“设备和电路智能”的贡献。

也许令人惊讶的是，增长的贡献很少是由于“尺寸缩小”的贡献，而很多是由于摩尔所说的“设备和电路智能”。这一项到底是什么？

有人认为这个因素是压缩芯片中的浪费空间、消除隔离结构和其他各种因素。

他还发现，“芯片尺寸的增加”与“更小的组件”的贡献接近。1975年，英特尔8080微处理器芯片的面积为20平方毫米。如今，Apple M1 Max芯片的面积为425平方毫米。这20倍的增长虽然低于遵循摩尔的推断所需的倍数，但在过去的几十年里，它仍然成为了推动定律进步的重要贡献者。

摩尔不仅仅关注芯片尺寸的增长。他还考虑了晶圆尺寸的增加，在摩尔撰写这篇回顾文章时，晶圆尺寸已经从四分之三英寸增加到300毫米。这与他的一个推测所暗示的57英寸晶圆尺寸不太匹配。不过，英特尔确实提供了一个例子来说明这在实践中可能意味着什么。

文章来源：半导体产业纵横