破译“符咒” 详解摩尔定律(1)

　　前言：

　　目前，摩尔定律已经到了不惑之年，甚至比英特尔的年龄还要大6岁。40年来，它所倡导的“更快、更小、更便宜”的理念，使整个IT业变成了另一个“奥林匹克”竞技场。英特尔当然也就成为了无冕之王。但是，形势已经明确无误地告诉我们：摩尔定律正在成为英特尔，乃至整个半导体产业的“第一符咒”。

　　今天，就让我们来见识一下这个“符咒”……

　　一、摩尔定律的起源

　　在计算机领域有一个人所共知的“摩尔定律”，它是英特尔公司创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)于1965年在总结存储器芯片的增长规律时(据说当时在准备一个讲演)所使用的一份手稿。

　　“摩尔定律”通常是引用那些消息灵通人士的话来说就是：“在每一平方英寸硅晶圆上的晶体管数量每个12月番一番。”下面是摩尔在1965年的报纸上所引用的图：

　　图中显示出晶体管密度每个12月增加一倍，然而，在摩尔的简短论著中并没有对这方面进行完整的论述。摩尔发表那篇论文的本意是为了探讨如何合理缩减集成电路晶体管体尺寸、降低制造成本的方法。更重要的是，他知道这种尺寸上的缩小将带来重要的意义：未来的集成电路将会更便宜、功能更多，可集成晶体管数量越多，从而使电子产品日趋廉价化、普及化，并终将对人类的生活、工作产生巨大影响。

　　在摩尔定律中提到减少成本是集成电路最大的吸引力之一，并且随着技术发展，集成化程度越高，低成本的优点更为明显。对于简单的电路来说，每个部件的费用与电路中所含晶体管的数量成反比关系。但同时，随着集成度的提高，电路复杂性也随之提高，由此带来的制造成本也将提高。当然，应该注意到摩尔的原作仅仅只有4页纸的篇幅，而现在的文章篇幅却长多了。这是因为我们所说的“摩尔定律”这一个名称其实并不是十分严谨，因为它其实并非科学或自然界的一个定律，而至多也仅仅是一个规律，用来描述由于不断改进的半导体生产工艺所带来的一个指数级增长的独特发展规律。

　　那么摩尔所提到的“最小元件成本的复杂性”究竟指什么呢？制造缺陷、制造成本与集成度之间又存在什么样的关系？让我们按照作者的本意来改写一下我们所熟知的“晶体管倍增定律”：使换算后每个晶体管制造成本达到最低的集成电路芯片所含的晶体管个数每年将倍增。

　　经过这样改写的摩尔定律，或许就更加地贴近摩尔先生的本意了。但是仅凭这样的一句话，仍然很难准确地表达增加集成度所带来的每元件成本下降与集成电路制造成本间的互动关系，因此，在下面，我们将详细地举例说明，以便大家更透彻地了解摩尔定律的本质。

　　二、摩尔定律与硅芯片的经济生产规模

　　大多数读者都已经知道每个芯片都是从硅晶圆中切割得来，因此将从芯片的生产过程开始讨论。下面，是一幅集成芯片的硅晶圆图像。(右边的硅晶圆是采用0.13微米制程P4所用的硅晶圆。)

　　通过使用化学、电路光刻制版技术，将晶体管蚀刻到硅晶圆之上，一旦蚀刻是完成，单个的芯片被一块块地从晶圆上切割下来。