专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。01-2919:22
也许我们不应该感到惊讶。由于个人电脑、互联网和智能手机改变了我们的生活和社会，因此“摩尔定律”具有了文化意义，反映了这些变化的重要性。
这种缺乏精确性可能是《经济学人》所提到的分歧的根源。摩尔定律仍然适用还是已经结束？让我们来听听两位行业领袖的看法：
英伟达CEO黄仁勋在2022年九月表示——摩尔定律已死（原文：Moore’sLaw’sdead）；英特尔CEOPatGelsinger同期表示——摩尔定律还活着且发展很好（原文：Moore’sLawis“aliveandwell”）；
摩尔定律未来的不确定性是不可避免的。如果存在可预见的技术障碍，那么对该法是否继续实施的质疑是可以预料的。但正如我们所知，半导体行业一次又一次地突破了这些技术障碍。
在摩尔定律出现之前
戈登摩尔并不是第一个预测单个集成电路上晶体管数量大幅增加的人。1964年在纽约举行的IEEE会议上，西屋公司的HarryKnowles预测：“到1974年，我们将在单个晶圆上获得250,000个逻辑门。”
摩尔当时就在观众席中，他后来回忆说，他认为Knowles的预测“荒谬”。他工作的地方仙童公司正在努力在一英寸晶圆上安装“少数”多个逻辑门。会议上的其他发言者对半导体技术的发展也持更加保守的观点，这与Knowles相矛盾，Knowles的预测被其他人认为是“疯狂的”。
摩尔定律（1965年版）
我发现随着制造技术的进步，每个元件点的最低成本在过去几年中迅速下降。根据这一观察，我获取了一些数据点并绘制了一条曲线，推断出我被要求预测的十年。（原文：Isawthattheminimumcostpercomponentpointhadbeencomingdownquicklyoverseveralyears,asthemanufacturingtechnologyimproved.Fromthisobservation,Itookmyfewdatapointsandplottedacurve,extrapolatingoutforthetenyearsIhadbeenaskedtopredict.）
摩尔后来更详细地描述了他的方法：
“从Fairchild推出的早期‘Micrologic’芯片开始，为集成电路添加积分，我的积分一直到1965年绘制的50-60元件电路……。在半对数图上，这些点接近一条直线，直到1965年，复杂性每年都增加一倍。为了做出我的预测，我只是将这条线再推算了十年，并预测组件数量将在商业上最复杂的电路中增加一千倍。（原文：Addingpointsforintegratedcircuitsstartingwiththeearly"Micrologic"chipsintroducedbyFairchild,Ihadpointsuptothe50-60componentcircuitplottedfor1965….Onasemi-logplotthesepointsfellclosetoastraightlinethatdoubledthecomplexityeveryyearupuntil1965.Tomakemyprediction,Ijustextrapolatedthislineanotherdecadeintimeandpredictedathousand-foldincreaseinthenumberofcomponentsinatthemostcomplexcircuitsavailablecommercially.）
该推断的本质将构成“摩尔定律”的核心：
“随着单位成本随着每个电路的元件数量的增加而下降，到1975年，出于经济考虑，可能需要在单个硅芯片上压缩多达65,000个元件。（原文：Withunitcostfallingasthenumberofcomponentspercircuitrises,by1975economicsmaydictatesqueezingasmanyas65,000componentsonasinglesiliconchip.）
这与西屋电气的诺尔斯的预测不完全一样，但仍然“疯狂”。
摩尔后来说，他没想到这个预测会得到如此精确的遵循：
“我只是想传达这样一个想法：这是一项有未来的技术，从长远来看，它有望做出相当大的贡献。”（原文：Iwasjusttryingtogetacrosstheideathiswasatechnologythathadafutureandthatitcouldbeexpectedtocontributequiteabitinthelongrun.）
如果我们采用摩尔引用的数字，我们有1965年的50-60个组件，增加到1975年的65,000个，十年内增加了大约1,000个。这相当于十年来组件数量每年增加一倍。
摩尔定律（1975年版）
摩尔的一位朋友、加州理工学院的CarverMead很快将这一预测称为“摩尔定律”。1975年，摩尔重新审视“摩尔定律”。看看他的最新数据，他提出了修正后的预测：
“到本世纪末，新的斜率可能每两年增加一倍，而不是每年增加一倍。”（原文：Thenewslopemightapproximateadoublingeverytwoyears,ratherthaneveryyear,bytheendofthedecade.）
摩尔随后使用这个新的斜率来推断另外十年，即1985年。
这个“1975年定律”还有一个版本，涉及每18个月将（计算机性能）提高一倍，摩尔将其归因于英特尔的戴夫·豪斯(DaveHouse)：
现在进展是每18个月翻一番......
我认为是戴夫·豪斯（DaveHouse）做到了这一点，他曾在英特尔工作，他认为复杂性每两年翻一番，晶体管变得更快，计算机性能每18个月翻一番……但那是英特尔网站上的内容...以及其他所有内容。我从来没有说过18个月，这是人们经常引用的方式。（原文：IthinkitwasDaveHouse,whousedtoworkhereatIntel,didthat,hedecidedthatthecomplexitywasdoublingeverytwoyearsandthetransistorsweregettingfaster,thatcomputerperformancewasgoingtodoubleevery18months...butthat’swhatgotonIntel’sWebsite...andeverythingelse.Ineversaid18monthsthat’sthewayitoftengetsquoted.）
对于本文的其余部分，我们将坚持摩尔自己的预测。
摩尔定律的实践
那么摩尔的预测结果如何呢？
摩尔在其最初预测40周年之际再次重新审视了他的预测。他再次发现，他修改后的预测效果很好。
要了解2020年的最新更新，我们可以访问“OurWorldinData”网站，该网站展示了CPU上晶体管数量的历史趋势：
1965年，戈登·摩尔(GordonMoore)预测这种增长至少还会持续10年。他说得对吗？
在图表中，我们直观地看到了自1970年以来晶体管密度（集成电路上晶体管的数量）的增长情况。
这意味着晶体管数量实际上呈指数级增长。
这是一个有趣的动画，它将1969年至2019年期间的CPU和GPU晶体管数量与摩尔的预测（1975年修订）进行了比较。
我们无法预测未来会发生什么。这只是一个幸运的猜测，我想就我而言……幸运的推断。
所以摩尔的预测结果证明是“幸运的猜测”！
这一进展是如何实现的？
为了更深入地了解摩尔的预测是如何在实践中实现的，值得考虑一下这一进展是如何实现的。Moore在1975年对此进行了研究：
他将改进分为三个部分（参见上图，了解摩尔的历史分析和1975年以来的短期推断）：
减小组件尺寸；
半导体芯片尺寸增加；
他称之为“DeviceandCircuitCleverness”的贡献。
也许令人惊讶的是，增长的贡献很少是由于“尺寸缩小”的贡献，而有多少是由于摩尔所说的“DeviceandCircuitCleverness”。最后一项是什么？
我认为这个因素是挤压芯片中的浪费空间、消除隔离结构和各种其他东西。
他还发现“芯片尺寸增加”的贡献与较小元件的贡献接近。1975年，Intel8080微处理器芯片的尺寸为20mm2。如今，AppleM1Max芯片尺寸为425mm2。20的增长系数低于摩尔推断所需的系数，但仍然意味着它在过去几十年中对该定律的进步做出了重大贡献。
摩尔定律：神话与现实
在我们继续之前，我们应该先处理一些有关摩尔定律的流行神话，并强调一些关键点。摩尔定律：
1、不是“自然法”：
这实际上与设备的底层物理或化学无关，当然，底层物理和化学最终限制了组件可以变得多小。
2、不预测计算机性能呈指数级增长。
我们已经看到摩尔并没有预测性能每18个月翻一番。芯片上更多的组件可以带来性能的提高，但这种关系很复杂，而且登纳德缩放比例在2006年左右结束意味着即使摩尔定律继续存在，性能的增长速度也已经放缓。
3、不仅仅是缩小元件尺寸
参见上文和下文的进一步讨论。
4、是否以最佳单位经济性（即每个组件的成本最低）对集成电路上组件数量的变化进行预测
（1）它没有描述集成电路上最大可能数量的组件的进展；
（2）我们可以用摩尔1965年原始论文中的图表来说明这一点，该论文的电路包含更多元件，但单位经济性较差。摩尔的预测是关于这些曲线的最小值；
至关重要的是，每个组件的成本呈指数级下降。如果每个元件的成本不以这种方式下降，那么元件数量呈指数级增长的集成电路的成本将呈指数级增长。
最后，回到摩尔定律：
摩尔定律最终成为一个自我实现的预言，部分原因是公司以按照摩尔预测进行改进的方式组织自己。那么，也许计划多于运气！
摩尔定律作为经济学
如果摩尔定律不是自然定律，那么它到底是什么？我们已经有了线索！让我们重新审视戈登摩尔的说法。他表示：“摩尔定律实际上是关于经济学的。我的预测是关于半导体行业的未来方向，我发现通过其一些基本经济学可以最好地理解该行业。”（原文：Moore’slawisreallyabouteconomics.Mypredictionwasaboutthefuturedirectionofthesemiconductorindustry,andIhavefoundthattheindustryisbestunderstoodthroughsomeofitsunderlyingeconomics.）
为了消除这种复杂性，我认为思考摩尔定律的一种（非常简单的）方式是作为良性循环的表述：
创造更复杂的设备……导致……
这些设备的市场更大……这反过来又刺激……
对研发和更复杂制造的投资……这反过来又导致……
创建更复杂的设备……
……如此循环下去。
摩尔已经看到了他工作过的公司（首先是仙童公司，然后是英特尔公司）的技术创新步伐是可行的。而什么是可能的，部分取决于企业能够承担的投资水平。
如上所述，这个循环当然是实际情况的简化。它忽略了半导体制造商之间的竞争，实际上，这将是影响他们开发更先进设备的主要因素。不过，我认为有趣的是，根据上述模型，企业之间的竞争并不是维持这种良性循环的先决条件。
该模型的另一种简化方式是，参与者可以展望两年以上的周期，预测未来的改进，并为以后周期的需要做好准备。
我有理由确信，这是促使摩尔以这种方式提出问题的原因之一。通过概述他认为可以预期改进的速度，他提示供应商和客户为这些改进做好准备。
这些改进的实际速度也很重要。摩尔利用他的观察和经验制定了他认为可能可持续的改进步伐。如果他错了，那么这可能会导致良性循环的潜在破坏：
步伐太快会导致技术超越，并可能导致无法制造出所需的更复杂的设备；
步伐太慢将不足以刺激维持制造这些设备所需投资所需的需求。
通过保持进展速度可控但有意义，这一势头将得以延续。
公开这种改进速度的一个附带好处是，尽管企业可能会试图加快步伐以获得竞争优势，但生态系统以一致的速度发展将限制它们。
摩尔定律的终结
首先要指出的是，像摩尔定律这样的指数必然会在某个时刻结束。集成电路上的元件数量不可能“永远”继续翻倍。
然后，如果我们回到良性循环，我们会发现这个循环可能会因为未能做到以下几点而被打破：
1、创建更复杂的设备，或者
2、为这些设备创建/扩大市场，或者
3、刺激研发和先进制造投资
让我们依次看看这些潜在的“障碍”。
障碍一：物理限制和路线图
1、从“finFET”转向“纳米片”；
2、背面供电；
3、硅的替代品包括“过渡金属二硫属化物”；
所有这些，无论以何种方式，都是达到一个目的的手段：进一步缩小组件。
2023年路线图的执行摘要可免费下载，这是一本引人入胜且不太长的64页读物，它提供了有关光刻、材料科学、计量学和芯片制造的其他关键方面可能发展的大量细节过程。
尽管摩尔定律的“headline”并没有直接指定更小的元件，但正如我们所看到的，在实践中，通过所谓的“节点缩小”创建更小的元件是实现每芯片元件指数级增长的关键。
“毕竟，1nm还不到五个硅原子的宽度。因此，您可能会认为摩尔定律很快就会消失，半导体制造的进步不会使处理能力进一步飞跃，并且固态器件工程是一条死胡同的职业道路。但你错了。半导体技术节点系统描绘的图景是错误的。7nm晶体管的大多数关键特性实际上比7nm大得多，并且术语和物理现实之间的脱节已经持续了大约二十年。”
塞缪尔·K·摩尔还举了一个例子来说明这在实践中意味着什么：
“IEEE国际设备与系统路线图（IRDS）主席Gargini在4月份提出，行业‘回归现实’，采用结合接触栅间距（G）、金属间距（M）的三数度量，并且对于未来的芯片来说至关重要的是芯片上器件的层数(T)。”
“这三个参数是评估晶体管密度所需的全部信息，”ITRS负责人Gargini说道。
IRDS路线图显示，5nm芯片具有48nm的接触栅极间距、36nm的金属间距和单层，即公制G48M36T1。它并不完全是口头上说的，但它确实传达了比“5纳米节点”更有用的信息。
因此，这些组件实际上比节点名称所暗示的要大得多。
尽管如此，这些组件仍然变得非常小！最终达到了由于EUV光刻技术的局限性而产生的极限。
当然，我们以前也见过这样的限制。EUV能够突破DUV之前的限制，但代价是——成本。
障碍二：节点缩减导致成本上升
这一成本将我们带到了第二个潜在的障碍，即需要创建或扩大更复杂的集成电路的市场。不过，首先需要注意的是。接下来必然是对制造芯片的基本经济学的某些方面的极其简化的讨论。
值得注意的是，不仅集成电路上的元件数量呈指数级增长（与定律基本一致），而且这些集成电路的价格仍然可以承受，这反过来意味着每个元件的成本也呈指数级下降。尽管半导体工厂的成本不断上涨，但情况仍然如此。
戈登·摩尔(GordonMoore)阐述了后来被称为“摩尔第二定律”或“洛克定律”（以阿瑟·洛克（ArthurRock）命名，他帮助资助了英特尔并担任该公司多年董事长），该定律指出“半导体芯片制造的成本每四年翻一番”。
摩尔本人敏锐地意识到光刻工具的成本不断增加。这是他1995年论文中的图表：
而且，这是美国贸易机构Sematech在本世纪初绘制的“stepper”价格图表。
而“前沿”光刻工具的成本持续快速上升。ASML刚刚向英特尔交付其首款“高数值孔径”EUV系统，据报道售价为2.75亿美元。
只有使用设备的公司能够增加销售额，设备价格才能在较长时期内持续上涨。他们确实做到了。这是台积电过去二十年的收入。
更高的成本和更高的效用
但如果这种增长结束会发生什么？让我们来看看，如果来自更昂贵的光刻工具或其他原因的更高成本，加上静态需求，最终导致更高的价格，可能会发生什么。
1、更低的功耗：降低集成电路整个生命周期的成本，或延长便携式设备的电池寿命。
2、更高的实用性：能够将更多的功能和性能集成到单个集成电路中。
但在某些时候，较小节点的效用不足以证明较高的成本是合理的。即使按照摩尔定律，这些较小的节点继续具有最佳的单位经济效益，它们仍然可能意味着“每芯片”成本如此之高，以至于无法证明其合理性。
举个例子，苹果目前可能愿意支付更高的价格购买台积电的最新晶圆，这些芯片将用于最昂贵的iPhone。但如果价格继续上涨，这种情况就不可能无限期地持续下去。消费者为高端手机支付的价格最终是有限的。
然后我们需要记住，投资的增加需要需求的增加。更高的晶圆成本不可避免地会降低需求，从而打破数十年来推动摩尔定律的需求增加和投资增加的良性循环。
最终，即使节点进一步缩小，芯片成本上升也意味着如果没有额外的需求，“良性循环”的经济性将会崩溃。
投资和“芯片竞赛”
即使制造更先进节点的经济学不再有意义，那么政治，特别是地缘政治，可能会发挥作用。以下是一些最近的头条新闻：
1、美国报告对520亿美元半导体芯片融资表现出浓厚兴趣（2023年8月）
2、布鲁塞尔批准为欧洲制造半导体提供80亿欧元新补贴（2023年6月）
3、日本准备130亿美元支持该国芯片行业（2023年11月）
4.面对美国的限制，中国准备为其芯片公司提供巨额的一揽子计划（2022年12月）
目前，我们正处于一场“芯片竞赛”，各国竞相投入资金创建新的“晶圆厂”。这些国家真正想要的是“前沿”制造技术。
而且，到了某个时候，甚至政府也会耗尽现金，意识到自己无法竞争，或者看不到进一步投资的价值。
摩尔本人敏锐地意识到需求的指数增长不可能永远持续下去。以下是摩尔1995年论文中的图表，该论文将“全球生产总值”与半导体行业进行了比较：
“如您所见，1986年半导体行业约占GWP的0.1%。仅仅十年后，到2005年左右，如果我们保持同样的增长趋势，我们将达到1%；到2025年左右，将达到10%。到本世纪中叶，我们将实现一切。显然，行业增长必须放缓。
我不知道我们能达到多少全球升温潜能值，但超过百分之一肯定会让我感到惊讶。我认为，信息产业显然将成为这一时期世界上最大的产业，但过去的大型产业，例如汽车，并没有达到全球升温潜能值的百分之一。我们的行业增长必须相对较快地放缓。我们这里有一个固有的冲突。成本呈指数级上升，而收入无法长期以相应的速度增长。我认为这至少是一个与达到十微米的技术挑战一样大的问题。”
根据我的估计，2023年芯片制造商的总收入约为全球GDP的四分之一，因此摩尔在这种情况下的偏差超过一个数量级。但他的基本观点仍然成立。这种关系最终必然会限制行业的发展规模。
系统集成
让我们考虑最后一个因素。我们将回到摩尔1965年论文中的另一项观察：
来自设备和系统国际路线图执行摘要（我的重点）：
用较小的组件构建系统不仅仅意味着通过“堆叠”组件来实现“垂直”。它还包含并排连接的较小芯片的“小芯片”。
在HotChips2019上，台积电的PhilipWong发表了题为“下一个节点将为我们提供什么？”的演讲，该演讲以这张幻灯片开头：
因此，在摩尔发表最初论文近六年后，事实再次证明他是有先见之明的。
摩尔定律（2023版）
让我们回到关于摩尔定律现状的分歧。
（请注意强调的“每2年2次”。）
……基辛格将他的立场修改为（我的重点）：
“摩尔定律本质上就是你能够在X、Y方向上缩小，并且能够在X和Y方向上缩小0.7倍，你大约每两年就能实现翻倍，就像黄金时代的摩尔定律一样。你知道我们已经不再处于摩尔定律的黄金时代，现在要困难得多，所以我们可能每三年就有效地翻一番，所以我们肯定看到了放缓。”（原文：Moore'slawwhereessentiallyyouwerejustabletoshrinkintheX,Yrightandbeingabletodo.7xshrinksintheXandtheYrightyou'reabletogetthisdoublingeverytwoyearsapproximatelyandthatwasliketheGoldenEraofMoore’slaw.Youknowwe'renolongerintheGoldenEraofMoore’slaw,it'smuchmuchhardernowsowe'reprobablydoublingeffectivelyyouknowclosertoevery3yearsnowsowe'vedefinitelyseenaslowing.）
因此，今天基辛格并不真正相信1975年版本的摩尔定律仍然存在。
事实证明，摩尔定律到底是死是活这个谜题的答案是，当我们打开盒子时，我们会发现薛定谔原来那只不幸的猫实际上已经死了。不过，其一位近亲还活着。
平心而论，基辛格长期以来一直对摩尔定律的含义存在一定程度的不精确性。戈登·摩尔本人在1995年说道：
我们尝试总结一下：
最后，最终终结摩尔定律的很可能是经济学，而不是物理学。