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摩爾定律的多重人生(上)

app01/TECH2IPO 2015.04.05 00:00
創見干貨:如果將摩爾定律比為一個人,到今年他已經是個50歲的中年人了。在這五十年中電子產業遵循著摩爾定律獲得了巨大的進步,然而在今天人們也會想知道摩爾定律是否已經過時,它還能不能適應時代繼續對于未來電子產業發展起到指導作用。在本文的上篇中我們將回到上世紀60年代,看看摩爾是在什么樣的時代背景與實踐中提出了摩爾定律,發現摩爾定律中不被重視的另一面。半個世紀前,一個名叫戈登摩爾的年輕工程師仔細觀察了他所處的新興行業,并且對于接下來十年中在這一行業里會發生的各項大事件做出了自己的預測。這篇長達 4 頁的預測文章被刊登在 Electronics 雜志上,這位年輕工程師預測在未來會出現家用計算機、移動電話以及擁有自動駕駛系統的汽車。他在文章中預測集成芯片上可容納的電子元件數量將每年穩定地增加一倍,這會使得集成芯片越來越經濟實惠,而這也就是驅使他筆下那些奇思妙想的技術化為現實的動力。在文章發表十年之后,這一描述集成芯片上電子元件指數式增長的「摩爾定律」并沒有停止下來的跡象。時至今日,摩爾定律在近五十年來的科技高速發展進程中貫穿始終,遵循著摩爾定律的現代科技為人們的生活帶來了計算機、個人電子設備以及傳感器。摩爾定律對于現代化生活的影響是難以估量的,如果沒有集成芯片的不斷發展,我們坐不了飛機,打不了電話,甚至連洗碗機都用不了,更別提發現希格斯波色子與創造互聯網了。但是說到底,摩爾定律究竟是如何影響了我們的生活,它為什么能夠取得這樣的成就?摩爾說明了技術進步是毋庸置疑且勢不可擋的,還是它僅僅反應了在一個特殊時期中的技術發展狀況?時至今日,我們還能用摩爾定律來解釋最近十幾年計算機方面的技術進步與創新進展嗎?在我看來,摩爾定律的地位是毋庸置疑的。摩爾定律是時代的證明,它代表了人類的辛勤工作、聰明才智以及來自自由市場的激勵。摩爾的預言在起初只是對于一個新興產業的簡單觀察總結,但是隨著時間的推移,它已經成為了一種自我實現的預期。摩爾定律的實現是由千千萬萬創新公司與工程師們持續創造的結果,他們能夠從摩爾定律中看出行業發展的潛力,并且竭盡全力去保持技術上的領先地位,否則就會冒著落后于競爭對手的風險。不過我也想說,盡管摩爾定律被無休止地套用在解釋各類技術進步上,但是它并不僅僅是一個簡單的概念。摩爾定律的含義在這幾十年的發展中經過了反反復復的改變,直到今天它依然在不斷變化。如果我們想要從摩爾定律中領悟技術進步的本質以及從中預測未來的發展,那就還需要進行深入地了解與觀察。在上個世紀 60 年代,當時硅谷還沒有名滿天下,年輕的戈登摩爾在仙童半導體公司擔任研發主管。在從肖克利半導體實驗室出走之后,他與別人一起在 1957 年成立了這家公司。在這家公司中,他們一起完成了硅晶體管的早期研發工作。仙童公司是當時為數不多的針對硅晶體管進行開發的公司,晶體管是一種可變電流開關,能夠基于輸入電壓控制輸出電流,并可用于計算和儲存數據。仙童公司很快就從中發現了利基市場。在當時,大多數的電路是由單個晶體管、電阻、電容以及二極管連接組成,它們被手動組裝在一塊電路板上。而在 1959 年,仙童公司的赫爾尼發明了平面晶體管,取代了之前的臺面晶體管。有了這種平面晶體管,工程師就可以將多個晶體管布線互聯在一起,安裝在在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上,制作出一種被稱為「集成電路」的東西。德州儀器的杰克基爾比是集成電路方面的先驅者,他首先想到了電阻器和電容器 (無源元件) 可以用與晶體管 (有源器件) 相同的材料制造。摩爾的同事羅伯特•諾伊斯則用實踐顯示了平面晶體管可以被用來制造集成電路, 通過給晶體管覆蓋一層絕緣的氧化物涂層, 然后添加鋁線去連接不同的晶體管就可以實現。仙童公司將這種新的制造工藝投入到了首個硅集成電路的制作中,這種硅集成電路于 1961 年面世,剛剛開始只包含了 4 個晶體管。到了 1965 年,該公司已經能夠制作出包含了 64 個電子元件的集成電路了。有了這些前期知識的積累,摩爾在 1965 年發表的一篇論文中做出了大膽的結論:集成電路代表了電子產業未來發展方向。這聲明在今天看來當然是不言自明的,但是在當時那個年代卻引起了爭議。很多人都質疑摩爾的觀點,認為集成電路不過是電子產業中的一個小小分支。這些質疑是可以被諒解的,因為在當時集成電路的工藝比其他手工電路板產品復雜得多,而且也貴得多——從今天的計算角度來看,在當時集成電路的成本高達 30 美元,而單個組件的成本不到 10 美元。在那個年代,生產集成電路的公司屈指可數,而他們真正的顧客也只有美國航空航天局以及美國軍方。不過讓問題更加復雜的是當時的晶體管并不可靠。據摩爾回憶,在當時單個晶體管大約只能發揮出 10%-20% 的功效。當你將多個晶體管集成在同一塊電路板上,雖然期望它能夠發揮出最大的功效,但其實效果并不盡如人意。之所以會出現這種狀況,是因為這種操作邏輯是有缺陷的。雖然有 8 個晶體管被集成在同一塊電路板上,實際上它們并不能發揮出整體的效果,其工作效果還是等同 8 個獨立的晶體管。這是由于每個晶體管發生故障的概率是獨立的,且這種故障是隨機出現的,比如飛濺的油漆就能讓晶體管失效。如果兩個相鄰的晶體管中有一個發生了故障,那這兩個晶體管就會同時罷工。因此也就是說當把兩個晶體管連接在一起時,就要冒著一損俱損的風險。雖然面臨種種困難,摩爾仍然堅信集成電路總有一天會被證明是一種經濟實惠的選擇。在他 1965 年發表的論文中,摩爾為了證明集成電路將擁有光明的未來,將仙童公司的第一代平面晶體管以及后續生產的一系列集成電路作為參照,構建了一個對數模型。在該模型中,他發現隨著時間發展,每年集成電路上的元件數量就會增加一倍。通過在模型中加上一條小小的趨勢線,摩爾做出了一個大膽的推斷:這種增長趨勢將持續 10 年。到了 1975 年,他又預測人們將親眼目睹集成電路上的元件數量從 64 增長到 65000。這個預測已經相當接近現實。在 1975 年時,英特爾公司準備生產的電荷耦合(CCD)內存芯片上就已經包含了 32000 個元件,只要經過一年的發展,其結果就會與摩爾的預測相當接近。而這家英特爾公司正是在 1968 年摩爾與諾伊斯、葛羅夫脫離了仙童公司后成立的。摩爾定律被忽視的內容當我們回顧摩爾這篇重要的論文時,會從中發現一些被人忽視的細節。首先,摩爾的預測針對的是集成電路上的電子元件數量,而不不僅僅是晶體管,電子元件中還包括了電阻、電容和二極管。在發展初期,集成電路中的電阻比晶體管還多。而后來當金屬氧化物半導體場效應晶體管出現之后,集成電路上晶體管之外的電子元件所需越來越少,這也就意味著數字時代開始了。晶體管在集成電路中起到了主導作用,而對于集成電路復雜性的衡量則主要依據它所包含的晶體管數量。這篇文章還揭示了摩爾對于集成電路所帶來的經濟效益的關注。在摩爾定律中所說的電子元件的數量,并不是指芯片上所包含的最大元件數量或者平均數量,而是指每個元件的成本都能達到最小時集成芯片上可以包含的元件數量。摩爾內心明白,在一個集成電路上所能夠放置的元件數量并不是越多越好,多并不一定代表著就是經濟實惠的選擇。在每一代芯片制造技術發展過程中,集成電路中的元件數量都有著符合當時實際情況的最佳平衡點。隨著你往集成電路上添加越來越多的元件,分攤到每一個元件上面的成本是降低了,但是一旦這個數量超過了特定值,試圖往集成電路中添加更多的晶體管就會使得缺陷出現的可能性增加,并降低了可用芯片的收益。只要超過了這個特定值上,每個元件的成本就會開始增加。發展到今天,集成電路設計與制造的目標仍然是將其電子元件控制在最佳平衡點上。事實上,我并不認為摩爾定律在今天已經不能預測現實了,我認為摩爾定律再次處于一個變革的邊緣。芯片制造技術已經取得了長足的進步,最佳平衡點也隨之不斷提升,集成電路上的元件數量越來越多的同時其制造成本也在降低。在過去的 50 年中,晶體管的制造成本已經從 30 美元下降到了今天幾乎不要錢的地步。我想即使是摩爾本人,可能也沒有預見到晶體管的成本會有到如此巨大的變化。但是在 1965 年時,他就已經認識到集成電路不會一直這么價格高昂,會有高性能且廉價的組件對于現有的元件進行替代,集成電路的發展趨勢是成為性能好、價格低的產品。文章來源:Spectrum.ieee,原作者:Chris Mack,TECH2IPO/創見 陳錚編譯資料來源:tech2ipo創見原文刊載

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