2018-3-28 摩尔定律

来源：

学会通讯详情

http://dl.ccf.org.cn/institude/institudeDetail?id=3744263133546496

摘要：摩尔定律是半导体业界中广为人知的定律，是与物理、技术、创新和经济紧密相关的一个定律，是半导体业界的一个预言。本文介绍了摩尔定律的起源背后的故事。

关键词： 集成电路 摩尔定律

在人类所有的发明创造中，20世纪中期晶体管和集成电路(Integrated Circuit, IC)的发明，是人类创造史上最富传奇的一个篇章，也是改变人类历史进程和人类认知活动的一个重要里程碑。如今，IC已与我们的生活高度融合，几乎所有的机电一体化设备和装置中都离不开IC芯片。IC已经走过50多年，没有IC就没有今天的信息时代。那么，是什么在推动半导体工业技术的迅速发展？其发展有规律可循吗？

在半导体工业界中，有一个神奇的定律，它在告诉人们，IC技术的发展是按照什么速度在向前演化，这就是伟大的摩尔定律(Moore’s law)。

摩尔定律是半导体业界中一个广为人知的定律，它既不是物理学定律，也不是经济学定律，但它却是与物理、技术、创新和经济紧密相关的一个定律，也是半导体业界中的一个预言。摩尔定律的大意是：在一个芯片上所能放置的元件数目或性能每隔一定年限要翻一番。几十年来，IC芯片上的元件密度或性能几乎一直在按照这个指数速率增长。摩尔定律的一个伟大之处在于它是“自我实现的预言”，也称为自证预言(a self-fulfilling prophecy)。根据这个预言，人们可以预期芯片上元件的密度如何随时间变化。摩尔定律的创始人就是戈登·摩尔(Gordon E. Moore, 1929)。

戈登·摩尔

摩尔先生小传

戈登·摩尔于1929年出生在美国加州旧金山太平洋海岸一座毗邻硅谷的小城。1950年，摩尔在加州大学伯克利分校获得化学学士学位，1954年获得加州理工学院(Caltech)化学博士学位，此后在约翰·霍普金斯大学做博士后研究。1957年，摩尔毕业不久，就和罗伯特·诺伊斯(Robert N.Noyce, 1927~1990)等八人被威廉·肖克莱(William B.Shockley, 1910~1989)招入麾下，加入了由其创办的肖克莱半导体实验室。由于这些聪明的小伙子们实在无法忍受老板的管理方式，不到一年时间，摩尔、诺伊斯和其他六人便离开了肖克莱。肖克莱称他们是“八叛逆(traitorous eight)”。后来，这八个人在仙童摄像仪器公司支持下，成立了仙童半导体公司。在仙童工作十年之后，摩尔和诺伊斯于1968年在硅谷创办了属于他们自己的公司——英特尔(Intel)。多年后，摩尔也被称为“硅谷之父”之一。1990年，时任美国总统乔治·布什授予他“技术与创新国家奖章”。摩尔于2001年退休，2009年进入美国发明名人堂。2008年，摩尔因“在集成电路处理方面所起到的先锋技术角色，和在金属氧化物半导体器件(MOS)内存、微处理器、计算机和半导体工业发展中所具有的领导力”被美国电气电子工程师协会(IEEE)授予荣誉奖章。这是对摩尔先生一个十分恰当的赞誉，作为半导体IC领域的先驱，他的预言引领和激励了世界半导体工业的发展。

惊人的预言

摩尔定律第一次出现是在1965年。当时，摩尔应《电子》(Electronics) 期刊35周年纪念的邀请，发表了《把更多元件塞进集成电路里》的文章，对半导体未来十年的发展做出预测。文中做出了对半导体芯片上能够承载多少电子元器件数目的预言，大意是，在一个芯片上所能放置元件（指电阻、电容和晶体管等）数目每年要翻一番。让人深思的是，摩尔只是根据当时短短几年内相当有限的几个产品的数据做出这一预言的。比如，他给出数据的第一个时间点是1959年，当时在硅片上只集成了一个元件。随后的几年，集成的元件数目也没有提高多少。摩尔根据他的评价方法，将有限的5个数据罗列出来做出图表，如1964年单个芯片上发展到有32个元件。更令人惊异的是，1965年的数据是芯片上有60多个元件，而且是处于实验室研发过程中，预计在1965年末才发布的产品。根据这些有限的数据，他做出了大胆的预言，预测十年后集成度要达到65000个！在他的这篇文章中，根本没有提到“定律”这个词。“摩尔定律”是加州理工学院的一位研究人员卡弗·米德(Carver Mead)在1970年命名的。多年后，人们发现，这条定律成为半导体业界衡量芯片发展进程的一个主要尺度。

十年后的1975年，英特尔公司正在生产集成度约为65000个元件的内存，摩尔的预言惊人地实现了！在这一年，摩尔在IEEE期刊《国际电子器件会议技术摘要》上发表文章《数字电子的进展》，再一次预言，“这条斜率大致接近每两年翻一番，而不是一年”。这是摩尔定律的第二个重要标志时间。

此后，摩尔定律广泛受到人们关注，不仅芯片上晶体管的数目成为考察的对象，芯片的尺度缩比、芯片运行速度、功耗等都成为关注的内容。摩尔定律曾经一度被描述为：计算机芯片的性能每18个月要翻一番。1995年，摩尔在国际光学工程年会上发表文章《光刻与摩尔定律的未来》(SPIE,Vol.2438)。文中，他分别对1965年和1975年的两次预言进行了总结与分析。他在1975年的预言又再次得到验证，芯片密度按照他所预言的速度（大约两年翻一番）在发展。

在1960~1965年期间，半导体芯片的集成度小于100个元件，一般把这种IC称为小规模IC(SSI)。70年代中后期，IC有了较快发展。一般把集成度在10万个元件左右的IC称为中规模或大规模IC（MSI或LSI），把集成度大于10万个元件的IC称之为超大规模IC(VLSI)。芯片的运行速度与晶体管的密度近似成正比，也按照指数规律在增长。近十几年，摩尔定律的周期大致修改为26个月。这个数目接近18个月或者24个月倍增的周期。

从90年代开始，由于制造工艺和技术的飞速发展，晶体管的尺寸越来越小，接近纳米尺度范围，一些学者发出“由于热噪声的因素，摩尔定律将终结”的言论。但事实证明，摩尔定律并没终结，并一直延续至今，且影响深远。目前，一般把摩尔定律定义为芯片的元件数或性能每两年翻一番。它清楚地表明，两年后你的产品就该升级了，你的“产品量”、“产品性能”应该乘以2，这才是你要发展的目标和要努力的方向，否则就失去了竞争力。

一个硅晶圆上，芯片越小，就越能制造出更多芯片。不断缩小器件尺寸而增大晶圆的相对面积，便是半导体业一直追求的目标。但受到尺度缩小以及物理定律的限制，其增长的速度将减慢，估计未来要每隔三年翻一番。那么在过去的几十年间，摩尔是凭什么做出预言的，摩尔定律是如何演化的？

半导体集成电路孵化初期与经济驱动下的摩尔定律

1965年，摩尔提出预言之前，距离贝尔实验室发明晶体管还不到20年。在晶体管发明前，人们长期关注电子元器件的失效和可靠性问题，一直在寻找能替代真空电子管的元件。因为电子管器件尺寸大，易破碎，易发热，所以不安全、功耗大，可靠性不高。寻求新的器件成为当时业界研究的重要内容。

1947年，肖克莱、约翰·巴丁(John Bardeen, 1908~1991)和沃尔特·布拉顿(Walter H.Brattain, 1902~1987)等三人发明了半导体晶体管，使人们看到了希望。晶体管具有固体属性，体积小，功耗低，速度快，其优越性显而易见。在锗、硅晶体管上能够实现对电子流动的控制，起到开关和放大作用，通过适当组合可制备出具有逻辑功能的器件，这些器件成为现代电子信息技术的基础。在晶体管后，人们又发明了IC。

IC的发展历经坎坷。第一个半导体晶体管就是手工连线的，有0.5英寸那么大。1958年，德州仪器公司(Texas Instruments, TI)的基尔比(J.S.Kilby, 1923~2005)将几个基于锗的半导体元件组成在一起，构成了第一个IC。这是一个相移振荡器，包括一个电阻、三个晶体管和一个电容，一共才有五个元件。人们由此认识到半导体元器件集成的可行性。1959年，仙童公司的物理学家简·阿梅耶·赫尔尼(Jean Amédée Hoerni, 1924~1997)发明了提高IC密度的方法，即通过光刻在硅上实现金属互连的方法，最后由诺伊斯发展出一套工艺流程，实现了芯片的批量制造。诺伊斯第一个发明了硅上用金属铝互连而成的IC，实现了制造出比火柴头还小的固体电路。1959年，仙童公司开发了第一个平面晶体管；1961年，研制出第一个市场化的平面IC。图1(a)和(b)就是最初基尔比和诺伊斯研发的IC。2000年，基尔比获得了诺贝尔物理奖，遗憾的是诺伊斯已于1990年去世。

图1(a)1958年，德州仪器公司基尔比发明的第一个在锗上的IC，裸露的导线，当时称为“飞线”(flying wire)粘在玻璃上和硅之间;(b)1960年，仙童公司诺伊斯发明的第一个在硅上沉积的金属铝作为互连导线，用氧化硅绝缘层隔离的逻辑IC

当时，人们认为，在硅上集成电子元件与用手工焊线连接制造电路没有什么差别，只不过能够降低花费并极大地简化设计而已，并且把分立IC元器件的电路看成是竞争对象，而不是一种独特的产品。因此，成本是当时半导体业界考虑的主要因素。第一个摩尔定律就是在这样的背景下产生的。1965年，摩尔对未来十年半导体的发展做预言，当时就是从经济角度考虑的，而不是从技术角度。摩尔注意到：制造芯片的成本依赖于制造和腐蚀硅片的花费，而不是芯片中集成的元件数目。因此，随着芯片上所集成的元件的密度增加，每个元件的成本却降低了。但是，随着元件数目的增加，复杂度也要增加，而芯片上的缺陷也要增多，这样制造合格芯片的产率又要降低，导致每一个元件的制造成本又将升高。这样，一个芯片上的元件数、制造成本与复杂度和缺陷等表现出一个U型曲线关系，曲线的最低点代表了价格最低处元件的密度。摩尔将历年的数据收集总结后发现，在晶圆上以低成本生产一个无缺损的芯片，其制造能力随时间而增加。他利用当时已经和将要制造出的芯片，利用仅有的5个年度的位于U型曲线最低点的数据作图，横坐标以“年”为单位、纵坐标以元件数为单位，并以2为底的对数坐标作图，将这些点连接起来，在这个半对数坐标上，这些数据点几乎落在同一条直线上，片上集成元件的数目随年度呈指数增长，每年翻一番。基于此，将曲线外推，做出了大胆的预言。即以最小的制造成本，十年后的1975年，芯片集成度的数目要达到65000个（当时称为“数目的暴君”）。图2(a)和(b)反映了这一思想，这个预言在十年后得到了验证，如图3(a)。这一预言是在1960~1965年之间给出的，是SSI时期，此阶段的主要IC产品是逻辑门电路。多年后，摩尔在一次接受采访中说，他当时考虑的只是企图用最低的成本来制造芯片，而让他更惊讶的是该定律竟然有着如此深远的含义，这超出了他原有的设想。

图2 (a)芯片、成本和年代之间的关系 (b)预言芯片上元器件数目的趋势

硅集成电路时代的到来与技术进步驱动下的摩尔定律

在IC研制初期，锗和硅是两种重要的半导体衬底材料。由于锗的某些电学特性和稳定性等并不理想，人们的注意力逐渐转移到硅上来。从20世纪70年代开始，硅成为IC芯片的主要制造材料。这一时期也是IC制造技术的快速发展期，一些关键技术得以在硅IC上实施。例如，半导体掺杂方法从扩散式发展到离子注入式，光刻机从接触式发展到非接触的光学投影式，然后又发展到步进式光刻机。光刻用光源的波长和光刻方法对不断缩小晶体管的尺寸起到了巨大乃至主宰的作用。在腐蚀方法上，不仅有湿法腐蚀，还有等离子干法刻蚀。1974年，IBM公司罗伯特·登纳德(Robert Dennard)等人就针对摩尔定律提出了晶体管不断缩小的缩比原则——登纳德标度(Dennard scaling)。因为在这一年，他发表了晶体管缩比效应的文章。

60~70年代，技术创新已经改变了IC市场。因为出现了新的IC产品，所以这些新产品只能用半导体工艺的加工方法来实现。这一阶段，IC的发展已经由过去的简单替代电子管产品的模式转变为一种独立、新颖的晶体管芯片批量加工制造技术。设计和加工技术已经完全能够胜任微处理器和内存等的开发和制造，并且在成本上更占优势。这是一种本质的变化，IC的发展已经脱胎换骨，走入一个完全独立自主产品开发的过程，形成一套完全独特的加工制造技术体系。另一方面，设备仪器小型化的需求非常迫切，这就需要更小的元件和芯片。

新品的开发和应用是这一时期的一个标志。这时期有三种重要产品：动态随机存储器(DRAM)、微处理器(MPU)和通用非同步收发器(UART)。这些产品是在第一摩尔定律时期所没有的。DRAM是由大量重复单元构成，其密度和晶体管的数目主要受到加工线条和芯片尺寸影响。微处理器则是由功能复杂的电路组成的一种器件，其设计和制造具有相当大的复杂性。总之，这一时期，无论是在新电路研制上，还是在工艺开发和设计上，IC都欣欣向荣地蓬勃发展起来，极大地促进了IC向超大规模电路的发展。

摩尔的第二次预言是用先进的工艺技术等来解释半导体工业进展作为支撑的。摩尔说：“光凭智慧难以从芯片中赚取更多的空间，只有大芯片和更细的线条才是解决问题的两个途径。”摩尔把决定IC元件数目的主要因素归结为芯片尺寸和芯片上线宽。芯片设计的复杂度和设计技巧则构成了第三个因素。他认为，芯片面积和线宽这两个因素对芯片元件密度数的贡献占三分之二。在技术创新中，计算机辅助设计(CAD)已经开始应用。此时是IC技术发展的过渡期和酝酿期。他认为，设计技巧将比增加芯片面积或细化线条更能增加芯片的复杂度，并且预言未来电荷耦合元件(CCD)内存将得到大量应用。也就是基于对CCD的理解和预期，使得他对摩尔定律作了进一步的预言。CCD主要是一种重复结构单元，只要芯片面积增加，线条宽度减小，芯片密度就会增大，但在一定程度内，若要通过设计技巧方面使其密度增加则几乎不可能。基于此，摩尔认为，缺少了这一因素将导致芯片上元件的密度数增长缓慢。70年代中后期，芯片密度增长速率的确减缓了（见图3(b)），而这却是在他的预言之后发生的，表明了他预言的先见性。有研究认为，摩尔的预言之所以能够成功，是因为他并不是简单地为了拟合数据曲线而拟合，而是通过他对技术以及技术发展趋势的理解而做预言。最重要的一点是，摩尔本身来自工业界，是真正的内行，对产品乃至对企业的发展和规划，对人员的创造力，乃至市场竞争都有深刻体会和认识。

个人计算机和网络时代到来下的摩尔定律

在70年代末期，IC产业进入超大规模时代。1981年，IBM开创了个人计算机(PC)时代，首批个人电脑的型号为5150(内含Intel 8088CPU)。几乎同时，惠普公司的掌上计算器和Apple II计算机都开始得到推广。1969年，互联网开始于美国，在阿帕网(ARPANET)协议下，将美国的四所大学连接起来。80年代，互联网在学术界被广泛使用，90年代中期在西方广泛使用，90年代末期在一些发展中国家开始使用。从此，人们对芯片的需求也在快速增长。

1977年，摩尔的合伙人诺伊斯在《科学》期刊上发表文章，文章采用了摩尔的数据，但将摩尔的“引入年与复杂集成电路的近似元件数”，改为“引入时间与电路复杂度”的描述。显而易见，二者所描述对象的内涵发生了本质变化。计算机、网络等的普及和推广，造就了内存和微处理器成为两种典型有广泛需求的产品。内存(DRAM)的密度被视为一个标志尺度，内存只取决于芯片的面积和加工的线宽，这两个参数一直在稳步增长。诺伊斯的文章，让人们真正意识到该定律的内在意义和存在价值。

这一时期，技术创新、产业规划和市场竞争一直持续不断。1976年，史蒂文·乔布斯(Steven Jobs, 1955~2011)等成立苹果计算机公司，设计出了更快的微处理器。同年，日本建立了超大规模IC项目。1977年，CAD开始替代了手工制作。1982年，韩国三星电子公司完成了64kb的DRAM。1984年，罗斯·弗里曼(Ross H. Freeman)研发了一种基于静态RAM单元的现场可编程阵列(FPGA)，用于定制的可编程芯片。同年，闪存(Flash)问世。1985年，波长为248nm深紫外激光步进光刻机被GCA Corp公司研发出来，光刻技术向前进了一大步。80年代，CMOS技术开始在DRAM制造中起到了主要的作用，DRAM占据了半导体的市场。MOS晶体管由于漏电流极小而迅速取代了双极晶体管。1987年，台湾半导体制造公司成立。1992年，美国半导体协会发起了第一个半导体路线图——国家半导体技术路线图(ITRS)。1993年，一种平坦化工艺——化学机械抛光(CMP)应用在芯片制造的工艺中。

摩尔定律再次验证标志期是1995年。摩尔在美国光学年会上发表文章《光刻与摩尔定律的未来》，将DRAM和微处理器视为对象进行了考量，1975年的预言再一次得到验证，芯片密度按照他所预言的速度在发展（见图3(c)）。

微处理器与DRAM不同，微处理器不属于晶体管密集型器件，因此就不能单独用晶体管的数目来描述其复杂度的变化。计算机的性能和运行速度是重要的衡量指标，如微处理器的“每秒钟处理的百万指令数(MIPS)”。1989年，英特尔的486处理器为20-MIPS芯片；1991年，为41-MIPS芯片。这一阶段，摩尔定律所预言的倍增周期修改为大约26个月。1998年，奔腾3芯片面积为107平方毫米，晶体管数目大约为2800万个。70年代末期到90年代中期的数据显示，微处理器的晶体管数目按照指数形式每年呈现31%的增长，芯片运行速度(MIPS)每年有30％的增长。图4(a)和(b)所示的是微处理器晶体管数目和运行速度与年度关系。至今，芯片运行速度还一直在提升。2000年，英特尔的IC微处理器芯片奔腾4的主频已高达2GHz。2011年，推出了含有10亿个晶体管、每秒可执行1000亿条指令的芯片。

图3 (a)摩尔于1965年的预言数据曲线在1975年得到验证 (b)1975年的预言 (c)1960~1995年的验证

图4 (a)微处理器晶体管数目和(b)运行速度与年度关系

计算机和网络时代的到来极大地促进了IC产业的发展，市场不断扩大，技术不断创新，所有的一切让摩尔定律足足持续了50多年。在信息移动的今天，摩尔定律还会走多远，还会有哪些让人意想不到的构想和突破呢？

如今，摩尔定律已成为工业发展的一个规划进度表，正是受到平面工艺创新的启迪，摩尔才得到他的“定律”。由于工艺的不断创新，使得器件能够做得越来越小，这让他有了与众不同的眼界和领悟。

晶体管、集成电路创新性的源头在哪里？答案归结为：一切为了可靠性，一切为了小型化。半导体行业似乎是一种特殊的行业，但它的特殊性在哪里呢？答案或许归结于：(1)市场需求庞大；(2)底层有足够待挖掘的空间；(3)独特的批加工制造方式；(4)微纳技术的发展和引领；(5)人类不断探索和创新的脚步从来不会停息。摩尔的两次预言深刻揭示了半导体芯片产业的发展规律。市场的需求推动了技术的探索，技术的创新又推动了市场的不断发展。     ■