EDA探索之MOSFET的微縮- Moore’s Law介紹

英特爾公司聯合創始人戈登?摩爾（Gordon Moore）于當地時間3月24日逝世，享年 94 歲，他是半導體行業的先驅，奠定了英特爾CPU的黃金時代，其提出的”摩爾定律”曾預測數十年來計算能力的快速上升。無疑這位半導體行業開拓者的離世是全世界的損失，他所做的工作和貢獻值得我們向其致敬！

我們EDA探索頻道，今天迎來了第15期的內容——MOSFET的微縮- Moore’s Law，下面就跟著小編一起來開啟今天的探索之旅，走進大名鼎鼎的“摩爾定律”。

我們前面四期回顧了集成電路器件微縮的歷程，總的來說，MOSFET的微縮是依照鼎鼎大名的摩爾定律進行的。摩爾定律寫其說是一個定律，不如說是一個自我實現的預言。

1965年，當時的摩爾還是仙童半導體（Fairchild）的工程師時，他預測在未來的10年中，集成電路器件密度會以每年增加一培的速度進行。

The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year. Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain nearly constant for at least 10 years. That means by 1975, the number of components per integrated circuit for minimum cost will be 65,000. I believe that such a large circuit can be built on a single wafer.

—Gordon Moore; Electronics Magazine Vol. 38, No. 8 (April 19, 1965)

到了1975年，10年的預測到期，摩爾不忘記更新一下他的預測。此時他已經是Intel的共同創始人。

Complexity of integrated circuits has approximately doubled every year since their introduction. Cost per function has decreased several thousand-fold, while system performance and reliability have been improved dramatically. ... The new slope might approximate a doubling every two years, rather than every year, by the end of the decade. ...

—Gordon Moore; International Electron Devices Meeting, Technical Digest, IEEE (1975)

此時，集成電路器件翻倍的速度從一年放慢到了兩年。此后摩爾本人再沒有正式發表過文章來探討這個問題。

隨后，加州理工的教授Carver Mead將這種論述提煉為“摩爾定律”，這個詞從此廣泛地傳播開來。摩爾定律并不是一個物理定律，而更像是一個基于技術進步的速度而做出的技術和產品規劃。事實上Intel在過去四十年的產品升級，基本上是沿著摩爾定律的節奏在走。

關于摩爾定律，還有一個流傳廣泛的版本是“每18個月，集成電路性能會翻一番“，據信這是由Intel當時的CEO David House 提出的。我們有理由相信，這是一種刻意的宣傳，將市場、產業鏈和大眾的預期都固定下來，從而得到一個持續穩健的發展節奏。

摩爾定律提出的時候，還處于Happy Scaling Era（EDA探索丨第11期：MOSFET收縮，Happy Scaling Era）。所以除了器件密度的翻倍，大家通常所認識的摩爾定律還隱含著其它的一些含義。比如單位面積的總功耗不變或增加很少，單位面積的芯片制造成本不變或增加很少。這樣由器件密度增加所帶來的功能和性能上的收益幾乎是絕對的，并且是線性增長的。

但是隨著集成電路制造工藝逐步觸及到極限，越來越多的材料，越來越復雜的結構被引入，使得芯片的制造成本飆升。下圖來自Marvell的資料顯示，集成電路單個器件的成本在28nm之前仍然能保持約30%的下降（理想的摩爾定律會有50%的下降，因為成本不變，數量翻倍）。但是在28nm之后，器件的單位成本不降反升。