摩尔定律的前世今生

The future of integrated electronics is the future of electronics itself. The advantages of integration will bring about a proliferation of electronics, pushing this science into many new areas.

Cramming more components onto integrated circuits by Gordon E. Moore in 1965

戈登·厄尔·摩尔（Gordon Earle Moore）拥有加州理工大学化学博士学位，是著名的半导体领域工程师，英特尔公司的联合创始人和名誉主席。他在1965年提出的摩尔定律观察到集成电路（IC）中的晶体管组件的数量大约每两年翻一番。2023年3月24日摩尔博士离开了这个世界，同时也再一次引发了全世界科学工作者对摩尔定律的关注。摩尔定律是否可以继续指导未来的集成电路工业市场成为了行业内讨论的焦点。不得不说这是一个非常复杂且具有挑战性的问题，随着科学技术的快速发展，这个行业已经逐渐发展成为了复杂的交叉学科领域。

1965 年 4 月 19 日的电子杂志（Electronics Magazine）载有一篇标题为“将更多组件塞入集成电路（Cramming more components onto integrated circuits）”的文章，它的作者戈登·厄尔·摩尔（Gordon Earle Moore）博士针对半导体元器件行业未来10年的发展轨迹做了大胆的预测。摩尔博士预测到1975年，有可能将多达65,000个组件塞入大约6平方毫米的单个硅芯片上。

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 constant for at least 10 years.

Cramming more components onto integrated circuits by Gordon E. Moore in 1965

摩尔博士的预测基于他的从业经验和数据。1959年摩尔博士在Fairchild Semiconductor生产出了第一个平面晶体管。1960年到1964年，摩尔博士先后生产了包含32个组件的集成电路。到了1965年的晚些时候摩尔博士生产的集成电路已经包含64个组件。摩尔博士预测1975年在6平方毫米的单个硅片上将有可能布局65,000个组件。

在这篇杂志中，摩尔博士甚至精准预测了未来电子计算机发展的方向。他提出电子计算机将发展的更加强大，并且将以完全不同的方式组织起来。例如，由集成电子设备构建的存储器可以分布在整个机器中，而不是集中在一个中央单元。

摩尔博士还对半导体工艺的发展方向做出了非常准确的预测。未来的工业界将聚焦电子设备小型化，在有限的空间内以最小的重量包含越来越复杂的电子功能。具体的工艺包括针对单个组件、薄膜结构和半导体集成电路的微组装技术。摩尔博士介绍到集成电路的从业者已经将薄膜结构直接应用于有源半导体基板，薄膜电阻器的改进特性因此得到了有效的推广。聚焦薄膜技术的科学工作者正在开发将有源半导体器件连接到无源薄膜阵列的复杂技术。

摩尔博士在1975年电气电子工程协会-国际电子设备（1975 IEEE International Electron Devices）的一篇论文Progress In Digital Integrated Electronics中重新回顾了这个主题。作为英特尔的主席和首席执行官，摩尔博士的团队已经量产了包括65,000个组件的晶片，10年前的预测在这一时刻成为了现实。摩尔博士在这一篇文章中进一步论述了晶片组件数量呈指数上升的长期趋势。

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. Many aspects of processing and design technology have contributed to make the manufacture of such functions as complex single chip microprocessors or memory circuits economically feasible.

Progress In Digital Integrated Electronics by Gordon E. Moore in 1975

该行业可以在不牺牲良率的情况下制造出缺陷更少的更大芯片。他将这种改进主要归因于在晶圆上使用光学投影代替接触印刷的光刻掩模。第二个原因是图像和线宽的精细渲染。摩尔博士认为第三个原因是智能化电路和设备，制造商能够有效利用更多的晶圆总面积。摩尔博士同时指出电荷耦合器件 (CCD) 的发展时代已经结束，利用受控光束的半导体新技术将逐渐超越传统的化学方法。

There is no room left to squeeze anything out by being clever. Going forward from here we have to depend on the two size factors—bigger dice and finer dimensions.

Moore’s Law: Past, Present and Future published on July 1997 IEEE Spectrum

在这一次的国际电子设备会议，摩尔博士重新绘制了 1975 年以后的对数线性成分密度图，并采用了更缓和的斜率，其中器件密度每18个月翻一番。这个预测至今仍然指导着半导体领域的发展，并被称为摩尔定律。