摩尔定律50年,它当年是如何产生的?

2020-07-12 Z优生活 76268次阅读 

摩尔定律50年,它当年是如何产生的?

Steve Jurvetson

如果将摩尔定律比为一个人,到今年他已经是个 50 岁的中年人了。在这五十年中电子产业遵循着摩尔定律获得了巨大的进步,然而在今天人们也会想知道摩尔定律是否已经过时,它还能不能适应时代继续对于未来电子产业发展起到指导作用。在本文中我们将回到上世纪 60 年代,看看摩尔是在什幺样的时代背景与实践中提出摩尔定律,发现摩尔定律中不被重视的另一面。

半个世纪前 ,一个名叫戈登摩尔的年轻工程师仔细观察他所在的新兴行业,并且对于接下来十年中在这一行业里会发生的各项大事件做出了自己的预测。

这篇长达 4 页的预测文章被刊登在 Electronics 杂誌上,这位年轻工程师预测在未来会出现家用计算机、行动电话以及拥有自动驾驶系统的汽车。他在文章中预测积体电路上可容纳的电晶体数量将每年稳定地增加一倍,这会使得积体电路越来越经济实惠,而这也就是驱使他笔下那些奇思妙想的技术化为现实的动力。

在文章发表十年之后,这一描述积体电路上电晶体指数式增长的「摩尔定律」并没有停止下来的迹象。时至今日,摩尔定律在近五十年来的科技高速发展进程中贯穿始终,遵循着摩尔定律的现代科技为人们的生活带来了计算机、个人电子设备以及传感器。摩尔定律对于现代化生活的影响是难以计量的,如果没有积体电路的不断发展,我们坐不了飞机,打不了电话,甚至连洗碗机都用不了,更别提发现上帝粒子与创造网际网路了。

但是说到底,摩尔定律究竟是如何影响了我们的生活,它为什幺能够取得这样的成就?摩尔说明了技术进步是毋庸置疑且势不可挡的,还是它仅仅反应了在一个特殊时期中的技术发展状况?时至今日,我们还能用摩尔定律来解释最近十几年计算机方面的技术进步与创新进展吗?

在我看来,摩尔定律的地位是毋庸置疑的。摩尔定律是时代的证明,它代表了人类的辛勤工作、聪明才智以及来自自由市场的激励。摩尔的预言在起初只是对于一个新兴产业的简单观察总结,但是随着时间的推移,它已经成为了一种自我实现的预期。摩尔定律的实现是由千千万万创新公司与工程师们持续创造的结果,他们能够从摩尔定律中看出行业发展的潜力,并且竭尽全力去保持技术上的领先地位,否则就会冒着落后于竞争对手的风险。

不过我也想说,

儘管摩尔定律被无休止地套用在解释各类技术进步上,但是它并不仅仅是一个简单的概念。摩尔定律的含义在这几十年的发展中经过了反反覆覆的改变,直到今天它依然在不断变化。如果我们想要从摩尔定律中领悟技术进步的本质以及从中预测未来的发展,那就还需要进行深入地了解与观察。

摩尔定律50年,它当年是如何产生的?

在上个世纪 60 年代 ,当时硅谷还没有名满天下,年轻的戈登摩尔在 快捷半导体公司 担任研发主管。在从肖克利半导体实验室出走之后,他与别人一起在 1957 年成立了这家公司。在这家公司中,他们一起完成了硅晶体管的早期研发工作。

快捷公司是当时为数不多的针对硅电晶体进行开发的公司,电晶体是一种可变电流开关,能够基于输入电压控制输出电流,并可用于计算和储存数据。快捷公司很快就从中发现了利基市场。

在当时,大多数的电路是由单个电晶体、电阻、电容以及二极管连接组成,它们被手动组装在一块电路板上。而在 1959 年, 快捷半导体公司 的赫尔尼发明了平面电晶体,取代了之前的檯面电晶体。

有了这种平面电晶体,工程师就可以将多个电晶体布线互联在一起,安装在在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,製作出一种被称为「积体电路」的东西。德州仪器的杰克基尔比是积体电路方面的先驱者,他首先想到了电阻器和电容器可以用与电晶体相同的材料製造。

摩尔的同事罗伯特•诺伊斯则用实践显示了平面电晶体可以被用来製造积体电路,透过给电晶体管覆盖一层绝缘的氧化物涂层,然后添加铝线去连接不同的电晶体就可以实现。快捷公司将这种新的製造工艺投入到了首个硅积体电路的製作中,这种硅积体电路于 1961 年面世,刚刚开始只包含了 4 个电晶体。到了 1965 年,该公司已经能够製作出包含了 64 个电子元件的积体电路。

有了这些前期知识的积累,摩尔在 1965 年发表的一篇论文中做出了大胆的结论:积体电路代表了电子产业未来发展方向。这声明在今天看来当然是不言自明的,但是在当时那个年代却引起了争议。很多人都质疑摩尔的观点,认为积体电路不过是电子产业中的一个小小分支。

这些质疑是可以被谅解的,因为在当时积体电路的工艺比其他手工电路板产品複杂得多,而且也贵得多——从今天的计算角度来看,在当时积体电路的成本高达 30 美元,而单个组件的成本不到 10 美元。在那个年代,生产积体电路的公司屈指可数,而他们真正的顾客也只有美国航太总署以及美国军方。

不过让问题更加複杂的是当时的电晶体并不可靠。据摩尔回忆,在当时单个电晶体大约只能发挥出 10%-20% 的功效。当你将多个电晶体集成在同一块电路板上,虽然期望它能够发挥出最大的功效,但其实效果并不尽如人意。之所以会出现这种状况,是因为这种操作逻辑是有缺陷的。虽然有 8 个电晶体被集成在同一块电路板上,实际上它们并不能发挥出整体的效果,其工作效果还是等同 8 个独立的电晶体。这是由于每个晶体管发生故障的概率是独立的,且这种故障是随机出现的,比如飞溅的油漆就能让

电晶体失效。如果两个相邻的电晶体中有一个发生了故障,那这两个电晶体就会同时罢工。因此也就是说当把两个电晶体连接在一起时,就要冒着全军覆没的风险。

虽然面临种种困难,摩尔仍然坚信积体电路总有一天会被证明是一种经济实惠的选择。在他 1965 年发表的论文中,摩尔为了证明积体电路将拥有光明的未来,将快捷公司的第一代平面电晶体以及后续生产的一系列积体电路作为参照,构建了一个对数模型。在该模型中,他发现随着时间发展,每年积体电路上的元件数量就会增加一倍。

透过在模型中加上一条小小的趋势线,摩尔做出了一个大胆的推断:这种增长趋势将持续 10 年。到了 1975 年,他又预测人们将亲眼目睹积体电路上的元件数量从 64 增长到 65000。这个预测已经相当接近现实。在 1975 年时,英特尔公司準备生产的 感光耦合元件记忆体晶片上就已经包含 32000 个元件,只要经过一年的发展,其结果就会与摩尔的预测相当接近。而这家英特尔公司正是在 1968 年摩尔与诺伊斯、葛罗夫脱离了快捷公司后成立的。

摩尔定律被忽视的内容

当我们回顾摩尔这篇重要的论文时,会从中发现一些被人忽视的细节。首先,摩尔的预测针对的是积体电路上的电子元件数量,而不仅仅是电晶体,电子元件中还包括了电阻、电容和二极管。在发展初期,积体电路中的电阻比晶体管还多。而后来当金属氧化物半导体场效应晶体管出现之后,积体电路上晶体管之外的电子元件所需越来越少,这也就意味着数位时代开始了。电晶体在积体电路中起到主导作用,而对于积体电路複杂性的衡量则主要依据它所包含的电晶体数量。

摩尔定律50年,它当年是如何产生的?

这篇文章还揭露摩尔对于积体电路所带来的经济效益的关注。在摩尔定律中所说的电子元件的数量,并不是指晶片上所包含的最大元件数量或者平均数量,而是指每个元件的成本都能达到最小时积体电路上可以包含的元件数量。摩尔内心明白,在一个积体电路上所能够放置的元件数量并不是越多越好,多并不一定代表着就是经济实惠的选择。在每一代晶片製造技术发展过程中,积体电路中的元件数量都有着符合当时实际情况的最佳平衡点。随着你往积体电路上添加越来越多的元件,分摊到每一个元件上面的成本是降低了,但是一旦这个数量超过了特定值,试图往积体电路中添加更多的电晶体就会使得缺陷出现的可能性增加,并降低了可用晶片的收益。只要超过了这个特定值上,每个元件的成本就会开始增加。发展到今天,积体电路设计与製造的目标仍然是将其电子元件控制在最佳平衡点上。

事实上,我并不认为摩尔定律在今天已经不能预测现实了,我认为摩尔定律再次处于一个变革的边缘。

晶片製造技术已经取得了长足的进步,最佳平衡点也随之不断提升,积体电路上的元件数量越来越多的同时其製造成本也在降低。在过去的 50 年中,电晶体的製造成本已经从 30 美元下降到了今天几乎不要钱的地步。我想即使是摩尔本人,可能也没有预见到电晶体的成本会有到如此巨大的变化。但是在 1965 年时,他就已经认识到积体电路不会一直这幺价格高昂,会有高性能且廉价的组件对于现有的元件进行替代,积体电路的发展趋势是成为性能好、价格低的产品。

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