在最先進的芯片中(zhong)(zhong)，晶體管(guan)像病毒一(yi)樣小，也就是(shi)大約 50-100 納米(mi)（一(yi)個納米(mi)是(shi)百萬分之一(yi)毫米(mi)）。我們將在本文中(zhong)(zhong)看(kan)到晶體管(guan)的尺寸從 1959年發明集成電(dian)路(lu) (IC)到今天是(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，戈登·摩爾，英(ying)特(te)爾的(de)(de)(de)創(chuang)始(shi)人，發表了著名文(wen)章(zhang)稱，多年來，已(yi)成(cheng)為一(yi)種預言：被(bei)集成(cheng)在一(yi)個(ge)芯片的(de)(de)(de)晶(jing)體管數量每兩年增加一(yi)倍。這(zhe)篇文(wen)章(zhang)是(shi)電子學(xue)史上的(de)(de)(de)一(yi)顆真正的(de)(de)(de)寶(bao)石，可能(neng)是(shi)對這(zhe)一(yi)科學(xue)和(he)技術分(fen)支的(de)(de)(de)后(hou)續發展(zhan)影響(xiang)最大(da)的(de)(de)(de)文(wen)章(zhang)之(zhi)一(yi)。下圖(tu)顯示(shi)了摩爾在其著名文(wen)章(zhang)中的(de)(de)(de)內容：
數學中的(de)(de)這(zhe)種增(zeng)長有一個名字(zi)：指(zhi)數規律(lv)。從那時(shi)起，IC 或芯片中晶體管數量(liang)的(de)(de)增(zeng)加(jia)（它(ta)們是(shi)通常的(de)(de)兩(liang)種稱呼方(fang)式）一直遵循這(zhe)一趨勢，這(zhe)在電(dian)子(zi)世界中被(bei)稱為摩爾定(ding)律(lv)。
這(zhe)一(yi)預(yu)測(ce)(ce)在(zai)微電子(zi)行業起到(dao)了(le)一(yi)種(zhong)“自我(wo)實(shi)現的(de)(de)預(yu)言”的(de)(de)作(zuo)用，即制造商年(nian)復(fu)一(yi)年(nian)地執意要實(shi)現。當然，這(zhe)不(bu)(bu)僅(jin)僅(jin)是為了(le)滿足預(yu)測(ce)(ce)，而是為了(le)尋求(qiu)（并發(fa)現）這(zhe)一(yi)趨勢的(de)(de)好處，這(zhe)種(zhong)趨勢幾(ji)乎(hu)對(dui)行業產生了(le)“神圣(sheng)的(de)(de)使命”。當你閱讀摩爾(er)的(de)(de)文(wen)章時，仍然令人震驚的(de)(de)是，他(ta)在(zai)其(qi)中做出的(de)(de)預(yu)測(ce)(ce)不(bu)(bu)僅(jin)實(shi)現了(le)，而且(qie)半個世紀以來他(ta)們年(nian)復(fu)一(yi)年(nian)地這(zhe)樣做。在(zai)任何其(qi)他(ta)工業部門(men)中都不(bu)(bu)容易找到(dao)像本次那(nei)樣堅定的(de)(de)預(yu)測(ce)(ce)“追逐”。
因此，自從 1950 年(nian)(nian)代后(hou)期問世以來(lai)，IC 在接下(xia)來(lai)的(de)(de)幾(ji)年(nian)(nian)里經歷了(le)前所(suo)未有的(de)(de)發展(zhan)，最初(chu)是由美國太空計劃和軍事(shi)工業推(tui)動的(de)(de)。制造了(le)更(geng)多數(shu)量的(de)(de)晶(jing)體管(guan)。如果說最初(chu)的(de)(de) IC 集(ji)成了(le)幾(ji)十個(ge)晶(jing)體管(guan)，那么幾(ji)年(nian)(nian)后(hou)市場上已經有成千上萬的(de)(de) IC 上市，而今(jin)天，有數(shu)十億個(ge)晶(jing)體管(guan)的(de)(de) IC。下(xia)圖顯示了(le)這一趨(qu)勢：
圖：CPU 和存儲器的摩爾定律。垂直標度是對數的
由于其制造(zao)工藝經歷(li)了巨大(da)(da)的(de)(de)發展，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)(yi)大(da)(da)幅增加 IC 中的(de)(de)晶(jing)體管數(shu)量(liang)。微電子技(ji)(ji)術(shu)采用的(de)(de)程(cheng)(cheng)序部分讓人聯(lian)想到汽(qi)車的(de)(de)大(da)(da)規模(mo)生(sheng)產，這(zhe)(zhe)樣在單個硅半導(dao)體晶(jing)片上，可(ke)以(yi)(yi)同時復(fu)制大(da)(da)量(liang)相同的(de)(de)完整電路。此(ci)過程(cheng)(cheng)主要(yao)包(bao)括在硅表面上印刷多個幾何圖案(an)，這(zhe)(zhe)允許定義構(gou)成(cheng)它的(de)(de)每個設(she)備，然后選(xuan)擇(ze)性地沉積各種絕緣和導(dao)電材料(liao)，以(yi)(yi)便正確地互連不同的(de)(de)組(zu)件. 的(de)(de) IC，連續重復(fu)多次的(de)(de)步驟，直到完成(cheng) IC。所有這(zhe)(zhe)一切都(dou)可(ke)以(yi)(yi)在 IC 制造(zao)業(ye)真正的(de)(de)瓶頸技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)幫助下(xia)成(cheng)為可(ke)能：光刻。
摩爾定律的真正含義是什么？
為了(le)更直觀地(di)了(le)解摩爾(er)(er)(er)(er)定律的(de)(de)(de)(de)(de)(de)含義，想象一(yi)下讀者(zhe)回(hui)到過去。前往(wang) 1971 年(nian)，準(zhun)備在(zai)可容(rong)納 2,300 人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)禮堂(tang)聽歌(ge)劇(ju)，晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)數(shu)量(liang)(liang)與當(dang)年(nian)英(ying)(ying)特(te)爾(er)(er)(er)(er)制(zhi)造的(de)(de)(de)(de)(de)(de)第一(yi)款(kuan)(kuan)微處(chu)(chu)理器(qi)(qi)(qi)4004集(ji)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)數(shu)量(liang)(liang)完全(quan)相同(tong)(tong). 如果那個(ge)禮堂(tang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)量(liang)(liang)按(an)照摩爾(er)(er)(er)(er)定律發展，但不改變它(ta)占(zhan)據的(de)(de)(de)(de)(de)(de)空間并在(zai) 1982 年(nian)恢復(fu)原狀，那么 134,000 人(ren)(ren)將聚(ju)集(ji)在(zai)同(tong)(tong)一(yi)個(ge)場地(di)——一(yi)個(ge)大型足(zu)球場的(de)(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)量(liang)(liang)和英(ying)(ying)特(te)爾(er)(er)(er)(er) 286 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)量(liang)(liang)處(chu)(chu)理器(qi)(qi)(qi)-。多年(nian)后的(de)(de)(de)(de)(de)(de) 2000 年(nian)，禮堂(tang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)量(liang)(liang)已經可以容(rong)納東京的(de)(de)(de)(de)(de)(de)全(quan)部人(ren)(ren)口(kou)——3700 萬人(ren)(ren)，與最新(xin)版(ban)本的(de)(de)(de)(de)(de)(de)英(ying)(ying)特(te)爾(er)(er)(er)(er)奔騰 III 處(chu)(chu)理器(qi)(qi)(qi)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)數(shu)量(liang)(liang)相同(tong)(tong)——；如果試(shi)(shi)鏡是(shi)在(zai) 2011 年(nian)進行的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，它(ta)會(hui)遇到 13 億人(ren)(ren)——中國的(de)(de)(de)(de)(de)(de)全(quan)部人(ren)(ren)口(kou)或英(ying)(ying)特(te)爾(er)(er)(er)(er)酷睿 i7 處(chu)(chu)理器(qi)(qi)(qi)版(ban)本之一(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)數(shu)量(liang)(liang)——如果它(ta)在(zai) 2019 年(nian)參加，觀眾本來可以容(rong)納 74 億人(ren)(ren)，也(ye)就(jiu)是(shi)說，整個(ge)星球的(de)(de)(de)(de)(de)(de)人(ren)(ren)口(kou) - 以及(ji) IBM z13 存儲(chu)控制(zhi)器(qi)(qi)(qi)中內置的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)數(shu)量(liang)(liang)。最后，如果這次試(shi)(shi)鏡是(shi)在(zai) 2021 年(nian)進行，那么容(rong)量(liang)(liang)會(hui)變成(cheng)相當(dang)于兩個(ge)地(di)球的(de)(de)(de)(de)(de)(de)容(rong)量(liang)(liang)，因為它(ta)要(yao)聚(ju)集(ji) 150 億人(ren)(ren)，也(ye)就(jiu)是(shi)處(chu)(chu)理器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)數(shu)量(liang)(liang)Bionic A 15（配備新(xin)款(kuan)(kuan) iPhone 13 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)機型）。如下圖所示(shi)：
圖：驚人的摩爾定律
嚴格來說，芯片面積多年來也略有(you)增長(chang)，但比例要(yao)小得多。比如Intel 4004占(zhan)用了12mm2（3mm×4mm），而Bionic A 15的(de)表面積為(wei)107.7mm2（8.58mm×12.55mm），這樣晶體(ti)管的(de)比例就乘以了6870 .000，而區域(yu)則為(wei) 9。
需要使晶體管越來越小
在(zai)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)上集成越來(lai)越多的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)意(yi)味(wei)著減小(xiao)(xiao)(xiao)其(qi)尺寸(cun)，這(zhe)(zhe)帶(dai)來(lai)了優勢，但(dan)代價(jia)是增(zeng)加了制造過(guo)程的(de)(de)復雜性。晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)越小(xiao)(xiao)(xiao)，芯(xin)(xin)片(pian)(pian)本身就(jiu)越小(xiao)(xiao)(xiao)，晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)圓上可以安(an)裝的(de)(de)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)就(jiu)越多。同時，無(wu)論可以從每個(ge)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)片(pian)(pian)獲得(de)多少芯(xin)(xin)片(pian)(pian)，處理晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)片(pian)(pian)的(de)(de)成本都(dou)保持大致相同。這(zhe)(zhe)意(yi)味(wei)著減小(xiao)(xiao)(xiao)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)的(de)(de)尺寸(cun)會(hui)(hui)導致芯(xin)(xin)片(pian)(pian)更便宜(yi). 或者(zhe)，芯(xin)(xin)片(pian)(pian)可以保持相同的(de)(de)尺寸(cun)，這(zhe)(zhe)樣它(ta)內部(bu)就(jiu)有(you)更多的(de)(de)組件(jian)。這(zhe)(zhe)使(shi)得(de)它(ta)更強大，但(dan)不會(hui)(hui)更昂貴。最(zui)重要的(de)(de)是，縮小(xiao)(xiao)(xiao)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)的(de)(de)尺寸(cun)可以提高它(ta)們的(de)(de)性能，而不會(hui)(hui)增(zeng)加它(ta)們的(de)(de)功耗。也(ye)就(jiu)是說，芯(xin)(xin)片(pian)(pian)制造商有(you)強烈的(de)(de)動(dong)機(ji)縮小(xiao)(xiao)(xiao)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)的(de)(de)尺寸(cun)。這(zhe)(zhe)正是他們在(zai)過(guo)去幾十年(nian)中一(yi)直在(zai)做(zuo)的(de)(de)事情(qing)，其(qi)中芯(xin)(xin)片(pian)(pian)上的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)數量從數百個(ge)增(zeng)加到數十億(yi)個(ge)。對于晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)來(lai)說，這(zhe)(zhe)是一(yi)個(ge)驚人的(de)(de)小(xiao)(xiao)(xiao)尺寸(cun)。下圖顯示了一(yi)個(ge)這(zhe)(zhe)樣的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)：
圖：當前的晶體管與蛋白質或病毒一樣小
要了(le)解這個小尺(chi)寸(cun)意(yi)味著什(shen)么，請想象一下(xia)，我們將集成晶體管(guan)的(de)(de)芯片的(de)(de)尺(chi)寸(cun)放大，直到(dao)它與馬德里社區(qu)占(zhan)據的(de)(de)面積(ji)（8,000 平(ping)方公里）相似。在這個規模(mo)上，每(mei)個晶體管(guan)將占(zhan)據或的(de)(de)面積(ji)。5平(ping)方米(mi)，類(lei)似于40英寸(cun)直徑(jing)電視的(de)(de)屏(ping)幕面積(ji)。
結論
1970 年(nian)代開始從事芯(xin)片(pian)行業的(de)普(pu)渡大學教授(shou)馬克·倫(lun)德斯特(te)羅姆( Mark Lundstrom)于 2003 年(nian)為(wei)《科(ke)學》雜志(zhi)撰寫了一(yi)篇(pian)文(wen)章，預測(ce)摩爾定律將(jiang)在 2015 年(nian)達到(dao)物理(li)極限(xian)。倫(lun)德斯特(te)羅姆說(shuo)，在他的(de)職(zhi)業生涯中，他曾多次認為(wei)“好了，到(dao)此為(wei)止了。” 他記得 1975 年(nian)參(can)加了他的(de)第一(yi)次芯(xin)片(pian)制造會(hui)議。用他的(de)話來說(shuo)：
“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，市(shi)場上的芯片有150 億(yi)個晶體管。您的設計師和制造商可以(yi)用(yong)它(ta)們做什么(me)？
資訊來(lai)源(yuan)：半導(dao)體行(xing)業觀察
