什么是摩爾定律

圖1于1965 年4月19日由 Gordon Moore 在他的論文“Cramming more components to integrated circuits”（計(jì)算機(jī)歷史博物館）中發(fā)表。

圖 1 由 Gordon Moore 先生首次發(fā)表的“摩爾定律” 資料

該圖的縱軸是每個集成功能（半導(dǎo)體芯片）的組件（晶體管）數(shù)量。此外，由于它被寫成Log2，這表明晶體管的數(shù)量將呈指數(shù)增長。

不過，這個數(shù)字只寫了1959年到1975年，不能讀成“集成水平在兩年內(nèi)翻倍”。

之后，1968年與羅伯特·諾伊斯一起創(chuàng)立英特爾的戈登·摩爾在1975年修正了摩爾定律，稱“晶體管集成度每兩年翻一番”。截至目前，晶體管的集成度以“每兩年翻一番”的速度增長。換句話說，半個多世紀(jì)以來，摩爾先生 1965 年的預(yù)測一直是半導(dǎo)體行業(yè)的指南針。

而摩爾定律的延續(xù)背后還有另外一條定律。

登納德縮放比例定律

1974年，也就是摩爾先生修正摩爾定律的前一年，IBM（美國）的登納德寫了一篇論文，指出“按照一定的規(guī)律小型化會提高晶體管的速度，降低功耗，提高集成度”。宣布（圖 2）。這被稱為登納德的“比例定律”。

圖2 Dennard 的比例定律 來源：“具有非常小物理尺寸的離子注入MOSFET的設(shè)計(jì)”，IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-9 （5）

例如，如果我們將圖3中的K=2代入，那么晶體管的電路延遲將減半（換言之，速度將增加一倍），功耗將是1/4，集成度將是4倍。此外，每個晶體管的成本也降低了四分之一。

換句話說，如果按照登納德的“比例定律”將晶體管小型化，提速、功耗、高集成度、成本降低都可以一下子實(shí)現(xiàn)，不需要任何電路上的巧思。

簡而言之，摩爾定律是增加晶體管數(shù)量的羅盤，登納德的“比例定律”是小型化時性能更高的定律，是汽車的兩個輪子，隨之而來的是“晶體管集成度在兩年內(nèi)翻了一番，晶體管尺寸在同樣的兩年內(nèi)縮小了70%”，這已經(jīng)持續(xù)了半個多世紀(jì)（圖 3）。

圖3 延續(xù)50多年的摩爾定律（背后有登納德比例定律）

摩爾定律的本質(zhì)是什么？

讓我們重溫一下摩爾定律的本質(zhì)。2023年2月20日，筆者參加了日本晶體管研究的領(lǐng)軍人物、東京大學(xué)高木真一教授舉辦的“半導(dǎo)體器件入門”（科學(xué)技術(shù)主辦）研討會。想重新學(xué)習(xí)一下晶體管的基礎(chǔ)知識，研究一下晶體管的技術(shù)動態(tài)。

聽了高木教授的講座，讓我明白了摩爾定律本質(zhì)的新含義。這是因?yàn)楦吣窘淌趯δ柖傻谋举|(zhì)進(jìn)行了如下解釋（圖4）。

圖 4 摩爾定律的本質(zhì)

第一，晶體管的小型化提高了半導(dǎo)體的附加值。這是因?yàn)樾⌒突沟靡愿偷某杀緦?shí)現(xiàn)更高性能的半導(dǎo)體成為可能。

第二，這種小型化和高集成度的半導(dǎo)體可以擴(kuò)大市場并獲得巨大的利潤。

第三，利潤將用于下一步的小型化研發(fā)和資金投入。

也就是說，摩爾定律的本質(zhì)就是讓這個循環(huán)一直循環(huán)下去。而通過不斷循環(huán)這個循環(huán)，摩爾定律一直延續(xù)了50多年。

下面，我們表明半導(dǎo)體制造商的成功取決于他們保持上述循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。

Rapidus和臺積電之間的巨大差異

筆者一直對日本新公司Rapidus持負(fù)面看法，Rapidus在2022年10月宣布2027年前量產(chǎn)2nm邏輯半導(dǎo)體，做不到的根本。

如果思考一下Rapidus是否能實(shí)現(xiàn)圖4中的循環(huán)，就很容易理解為什么認(rèn)為 Rapidus 不起作用。Rapidus已宣布到2027年將投資2萬億日元用于開發(fā)，3萬億日元用于量產(chǎn)，總計(jì)5萬億日元。這筆資金可能會暫時由政府補(bǔ)貼支付。

這對應(yīng)于圖 4 中的第三點(diǎn)，但不可能在第一點(diǎn)之后進(jìn)行到第二點(diǎn)。換句話說，即使制造出2nm的邏輯半導(dǎo)體（雖然筆者認(rèn)為很困難），也不可能用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)“第三點(diǎn)，市場擴(kuò)張和巨大利潤”。這是因?yàn)闆]有無晶圓廠公司將生產(chǎn)外包給 Lapidus。如此一來，就無法獲得“巨額利潤”，也無法投入到2nm之后的下一個1.4nm。

另一方面，走在微型化前沿的臺積電，成功循環(huán)了摩爾定律的循環(huán)。

作為這一點(diǎn)的證據(jù)，如圖 5 所示，他們已經(jīng)成功地量產(chǎn)了最先進(jìn)的半導(dǎo)體，并增加了銷售額。尤其是在7nm之后，它成為了唯一的贏家，幾乎壟斷了最先進(jìn)的半導(dǎo)體。因此，7nm及以下的銷售額比以前更高。

圖5 臺積電按技術(shù)節(jié)點(diǎn)的季度銷售額 來源：作者根據(jù)臺積電歷史運(yùn)營數(shù)據(jù)制作的

這樣一來，可以說摩爾定律現(xiàn)在被臺積電繼承了。臺積電于2022年12月29日開始量產(chǎn)3納米。計(jì)劃在2024-2025年左右開始量產(chǎn)2nm。筆者將關(guān)注摩爾定律在未來會持續(xù)多久。

審核編輯：劉清