在最先進的芯片中，晶(jing)(jing)體(ti)管像病毒(du)一(yi)(yi)樣(yang)小(xiao)，也就是(shi)大約 50-100 納(na)米(mi)(mi)（一(yi)(yi)個納(na)米(mi)(mi)是(shi)百萬分之一(yi)(yi)毫米(mi)(mi)）。我們(men)將(jiang)在本文(wen)中看到(dao)晶(jing)(jing)體(ti)管的尺寸從(cong) 1959年(nian)發明集成電路 (IC)到(dao)今天是(shi)如何演變的。
圖：在顯微鏡下拍攝的芯片彩色圖像。你看到的是晶體管的金屬互連軌道，它們在下面，不可見
摩爾定律，一個自我實現的預言
1965年(nian)(nian)，戈登·摩(mo)爾(er)，英特爾(er)的(de)(de)創始人，發(fa)表了著(zhu)名文(wen)章稱(cheng)，多年(nian)(nian)來，已成(cheng)為一種預言(yan)：被(bei)集成(cheng)在一個芯片的(de)(de)晶體管數量每(mei)兩年(nian)(nian)增(zeng)加(jia)一倍。這篇文(wen)章是電子學史上的(de)(de)一顆真(zhen)正的(de)(de)寶石，可能(neng)是對這一科(ke)學和技術分支的(de)(de)后續發(fa)展影響最(zui)大的(de)(de)文(wen)章之(zhi)一。下圖(tu)顯(xian)示了摩(mo)爾(er)在其著(zhu)名文(wen)章中的(de)(de)內容(rong)：
數學中的這種(zhong)增長(chang)有一(yi)個名字：指數規律(lv)。從(cong)那時(shi)起，IC 或芯片中晶體管數量(liang)的增加（它們是通常的兩種(zhong)稱(cheng)呼(hu)方(fang)式）一(yi)直遵循這一(yi)趨(qu)勢，這在電子世界中被(bei)稱(cheng)為摩(mo)爾定律(lv)。
這(zhe)一預(yu)測(ce)(ce)(ce)在(zai)微電子行業起(qi)到了(le)一種(zhong)“自我(wo)實(shi)(shi)現(xian)(xian)的(de)預(yu)言”的(de)作用(yong)，即制造商年復(fu)(fu)一年地執意要實(shi)(shi)現(xian)(xian)。當然，這(zhe)不僅僅是(shi)為(wei)了(le)滿足(zu)預(yu)測(ce)(ce)(ce)，而(er)是(shi)為(wei)了(le)尋求（并發現(xian)(xian)）這(zhe)一趨勢(shi)的(de)好處，這(zhe)種(zhong)趨勢(shi)幾乎(hu)對行業產(chan)生(sheng)了(le)“神(shen)圣的(de)使命(ming)”。當你閱讀摩爾的(de)文章時，仍然令人震驚的(de)是(shi)，他在(zai)其(qi)中做(zuo)出的(de)預(yu)測(ce)(ce)(ce)不僅實(shi)(shi)現(xian)(xian)了(le)，而(er)且半個世紀以來他們(men)年復(fu)(fu)一年地這(zhe)樣做(zuo)。在(zai)任(ren)何其(qi)他工業部門中都不容易(yi)找到像本次那樣堅(jian)定的(de)預(yu)測(ce)(ce)(ce)“追逐(zhu)”。
因此(ci)，自從(cong) 1950 年(nian)代后期問世(shi)以來，IC 在接下來的幾(ji)年(nian)里經歷了前所(suo)未有(you)(you)(you)的發(fa)展，最(zui)初(chu)(chu)是由美國太空計劃和軍事工業推(tui)動(dong)的。制造了更(geng)多(duo)數(shu)量(liang)的晶體管。如果說最(zui)初(chu)(chu)的 IC 集成了幾(ji)十個晶體管，那么幾(ji)年(nian)后市(shi)場上已經有(you)(you)(you)成千上萬(wan)的 IC 上市(shi)，而(er)今天，有(you)(you)(you)數(shu)十億個晶體管的 IC。下圖顯示了這一趨勢：
圖：CPU 和存儲器的摩爾定律。垂直標度是對數的
由(you)于(yu)其制造(zao)工藝經(jing)歷了巨大(da)的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)，因此可(ke)以大(da)幅增(zeng)加 IC 中的(de)(de)(de)晶(jing)體管數(shu)量(liang)。微電(dian)子技(ji)術(shu)采用(yong)的(de)(de)(de)程(cheng)序部分讓人聯(lian)想到汽車的(de)(de)(de)大(da)規(gui)模生產，這樣(yang)在單個(ge)(ge)硅(gui)半導(dao)體晶(jing)片上(shang)，可(ke)以同(tong)(tong)時復制大(da)量(liang)相(xiang)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)完(wan)整電(dian)路。此過程(cheng)主(zhu)要包括在硅(gui)表面上(shang)印(yin)刷多個(ge)(ge)幾何圖案(an)，這允許(xu)定義構成它的(de)(de)(de)每(mei)個(ge)(ge)設備，然后選(xuan)擇性地沉積各種絕(jue)緣和(he)導(dao)電(dian)材料，以便正確地互連不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)組件. 的(de)(de)(de) IC，連續(xu)重復多次的(de)(de)(de)步驟，直(zhi)到完(wan)成 IC。所有這一切都可(ke)以在 IC 制造(zao)業(ye)真(zhen)正的(de)(de)(de)瓶(ping)頸技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)幫助下成為可(ke)能：光(guang)刻(ke)。
摩爾定律的真正含義是什么？
為了(le)(le)更直觀地(di)了(le)(le)解摩爾(er)(er)(er)(er)定(ding)律的(de)(de)(de)(de)(de)(de)含義，想象一(yi)下讀(du)者回到過去。前往 1971 年，準(zhun)備(bei)在(zai)可(ke)容(rong)(rong)(rong)納 2,300 人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)禮堂(tang)聽歌劇，晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)數量(liang)(liang)(liang)與當(dang)年英特(te)(te)爾(er)(er)(er)(er)制造的(de)(de)(de)(de)(de)(de)第一(yi)款微處理器(qi)4004集成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)數量(liang)(liang)(liang)完全相(xiang)(xiang)同(tong). 如(ru)(ru)果(guo)(guo)那(nei)個(ge)禮堂(tang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)按照摩爾(er)(er)(er)(er)定(ding)律發展，但不改變它占(zhan)據的(de)(de)(de)(de)(de)(de)空間并(bing)在(zai) 1982 年恢復(fu)原狀(zhuang)，那(nei)么 134,000 人(ren)(ren)將聚(ju)集在(zai)同(tong)一(yi)個(ge)場地(di)——一(yi)個(ge)大型(xing)足(zu)球(qiu)場的(de)(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)和英特(te)(te)爾(er)(er)(er)(er) 286 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)處理器(qi)-。多年后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de) 2000 年，禮堂(tang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)已經可(ke)以容(rong)(rong)(rong)納東(dong)京的(de)(de)(de)(de)(de)(de)全部人(ren)(ren)口(kou)(kou)——3700 萬人(ren)(ren)，與最新版(ban)本(ben)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)英特(te)(te)爾(er)(er)(er)(er)奔騰 III 處理器(qi)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)數量(liang)(liang)(liang)相(xiang)(xiang)同(tong)——；如(ru)(ru)果(guo)(guo)試(shi)鏡是在(zai) 2011 年進(jin)行(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，它會遇到 13 億(yi)人(ren)(ren)——中國的(de)(de)(de)(de)(de)(de)全部人(ren)(ren)口(kou)(kou)或英特(te)(te)爾(er)(er)(er)(er)酷睿(rui) i7 處理器(qi)版(ban)本(ben)之一(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)數量(liang)(liang)(liang)——如(ru)(ru)果(guo)(guo)它在(zai) 2019 年參加，觀眾本(ben)來可(ke)以容(rong)(rong)(rong)納 74 億(yi)人(ren)(ren)，也就(jiu)是說，整個(ge)星(xing)球(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)人(ren)(ren)口(kou)(kou) - 以及 IBM z13 存儲控制器(qi)中內置的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)數量(liang)(liang)(liang)。最后(hou)，如(ru)(ru)果(guo)(guo)這次試(shi)鏡是在(zai) 2021 年進(jin)行(xing)(xing)，那(nei)么容(rong)(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)會變成(cheng)相(xiang)(xiang)當(dang)于兩(liang)個(ge)地(di)球(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)，因為它要聚(ju)集 150 億(yi)人(ren)(ren)，也就(jiu)是處理器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)數量(liang)(liang)(liang)Bionic A 15（配備(bei)新款 iPhone 13 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)機型(xing)）。如(ru)(ru)下圖所示：
圖：驚人的摩爾定律
嚴格來說，芯片面(mian)積多年來也(ye)略(lve)有增長，但比(bi)例要小得多。比(bi)如Intel 4004占用了12mm2（3mm×4mm），而(er)Bionic A 15的(de)表面(mian)積為(wei)107.7mm2（8.58mm×12.55mm），這(zhe)樣晶體管的(de)比(bi)例就乘(cheng)以了6870 .000，而(er)區域則為(wei) 9。
需要使晶體管越來越小
在芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)上(shang)集成(cheng)越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)意味(wei)著(zhu)減小(xiao)其(qi)尺(chi)寸(cun)，這帶來(lai)了優勢，但代價是(shi)(shi)增(zeng)加(jia)了制造(zao)過(guo)(guo)程的(de)(de)(de)(de)(de)復雜性。晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)越(yue)(yue)小(xiao)，芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)本身就越(yue)(yue)小(xiao)，晶(jing)(jing)(jing)圓(yuan)上(shang)可以(yi)安裝的(de)(de)(de)(de)(de)芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)就越(yue)(yue)多(duo)。同時(shi)，無(wu)論(lun)可以(yi)從每(mei)個晶(jing)(jing)(jing)片(pian)(pian)(pian)獲得(de)多(duo)少芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)，處理晶(jing)(jing)(jing)片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)本都保(bao)持大(da)致(zhi)相(xiang)同。這意味(wei)著(zhu)減小(xiao)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)會導致(zhi)芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)更(geng)(geng)便宜. 或者，芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)可以(yi)保(bao)持相(xiang)同的(de)(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)，這樣(yang)它(ta)內部就有更(geng)(geng)多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)組件(jian)。這使得(de)它(ta)更(geng)(geng)強(qiang)大(da)，但不(bu)(bu)會更(geng)(geng)昂貴。最(zui)重要的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)，縮小(xiao)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)可以(yi)提高它(ta)們的(de)(de)(de)(de)(de)性能，而不(bu)(bu)會增(zeng)加(jia)它(ta)們的(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)耗。也就是(shi)(shi)說(shuo)，芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)制造(zao)商有強(qiang)烈的(de)(de)(de)(de)(de)動機縮小(xiao)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)。這正(zheng)是(shi)(shi)他(ta)們在過(guo)(guo)去(qu)幾十(shi)年中一直在做的(de)(de)(de)(de)(de)事情，其(qi)中芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)數(shu)量從數(shu)百個增(zeng)加(jia)到數(shu)十(shi)億個。對于晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)來(lai)說(shuo)，這是(shi)(shi)一個驚人的(de)(de)(de)(de)(de)小(xiao)尺(chi)寸(cun)。下圖顯示(shi)了一個這樣(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)：
圖：當前的晶體管與蛋白質或病毒一樣小
要(yao)了解這個(ge)小尺(chi)寸意味著什么，請想象(xiang)一下，我們(men)將集成晶體管的芯(xin)片的尺(chi)寸放大(da)，直(zhi)到它與馬德(de)里社區(qu)占據(ju)的面(mian)積(ji)（8,000 平(ping)方公里）相(xiang)似(si)(si)。在這個(ge)規模(mo)上(shang)，每個(ge)晶體管將占據(ju)或的面(mian)積(ji)。5平(ping)方米，類似(si)(si)于40英寸直(zhi)徑電視(shi)的屏幕面(mian)積(ji)。
結論
1970 年(nian)代開始從事芯(xin)片行業的普渡大學教授馬克·倫德(de)斯(si)特羅(luo)姆( Mark Lundstrom)于 2003 年(nian)為(wei)《科學》雜志撰寫了一(yi)篇文章(zhang)，預測摩(mo)爾定律將在 2015 年(nian)達到物理極限。倫德(de)斯(si)特羅(luo)姆說，在他的職業生涯(ya)中，他曾多次認為(wei)“好了，到此(ci)為(wei)止了。” 他記得 1975 年(nian)參加了他的第一(yi)次芯(xin)片制造(zao)會議。用他的話來說：
“有一個叫戈登摩爾的人在做演講。他在技術界很有名，但沒有人知道他是誰，我記得他的演講。摩爾說：“很快我們就能在一個芯片上放置 10,000 個晶體管。有人可以用芯片上的 10,000 個晶體管做什么？”
今(jin)天(tian)，市場上的(de)(de)芯片有150 億個晶體管(guan)。您的(de)(de)設計師和(he)制造(zao)商可以(yi)用它們做什么？
資訊來源：半導體行業觀(guan)察(cha)
