摩尔定律是否消亡？不同公司看法不同

长期以来，技术领域一直存在着一条黄金法则，通常简称为摩尔定律：每年，晶体管都会变得更小，与此同时芯片会变得更快、更强大。但如今，人们更多地将摩尔定律视为一个时代的终结，而不是将其视为一个受欢迎的挑战。那么，摩尔定律真的失效了吗？晶体管可以有多小？

什么是摩尔定律？

摩尔定律以英特尔联合创始人戈登·摩尔的名字命名，其理论依据是集成电路上晶体管的数量每两年将翻一番，而成本的上升幅度却很小。

在 1965 年的一篇题为《在集成电路上塞入更多元件》的文章中，摩尔指出，每个集成电路上的元件数量每年都翻一番，并预测这一趋势至少还会持续十年。十年后，着眼于未来十年，摩尔将他的理论从每年翻一番修改为每两年翻一番。根据普遍共识，他的预测自 1975 年以来一直有效，并自此被称为定律。

从技术角度上讲，摩尔定律与热力学定律并不相同。摩尔定律描述的不是自然过程。相反，它是一种经验曲线定律。

来源：Hannah Ritchie/Max Roser，OurWorldinData.org

自1975年以来，摩尔定律或多或少一直有效，摩尔定律的意义已经不止于一个现象的解读，还在很长一段时间内都成为整个半导体行业的长期规划指导原则。

除摩尔定律之外，还有一条“登纳德缩放比例定律”(Dennard Scaling)，由IBM托马斯•沃森研究中心科学家罗伯特•登纳德于1974年提出。

摩尔定律与登纳德缩放定律

在半导体电子学中，登纳德缩放定律（也称为 MOSFET 缩放定律）预测，随着晶体管按照摩尔定律变得越来越小，它们的功率密度将保持不变，因此 IC 的功耗将与其面积成比例增加；电压和电流都将随着特征长度的减小而减小。

Dennard 最初成名并不是因为他的哲学观察，而是因为一项技术创新。在 Moore 首次预测晶体管尺寸的同时，当时还是 IBM 电气工程师的 Dennard 正在设计单晶体管固态存储单元。1966 年，他获得了一项专利，该专利改变了计算机存储信息的方式：动态随机存取存储器 (DRAM)。

摩尔定律的可行性仍备受争议，但登纳德缩放定律在 2005 年左右告别了历史舞台，这要归功于一种名为“功率墙”的现象。开关 CMOS 电路需要的功率随其时钟频率呈指数级增长。这意味着随着芯片尺寸越来越小，它们会越来越紧密地挤在一起。早在登纳德缩放定律达到其“无限极限”之前，制造公差的现实就证明了它的失败。

当时也曾有过一些警告：2001 年，英特尔前首席执行官帕特·基辛格 (Pat Gelsinger) 曾表示，如果目前的趋势保持不变，那么到 2005 年，特定高速处理器的功率密度将接近核反应堆的功率密度，到 2010 年将接近火箭的功率密度，到 2015 年，其功率密度将与太阳表面的功率密度相媲美。

五年后，英特尔制造部门前负责人马克·波尔在一篇关于 Dennard 缩放的 30 年回顾中写道，它“不再是一种足以满足未来晶体管密度、性能和功率要求的策略”。不过，波尔表示，他仍持乐观态度，因为即将出现的技术包括应变硅、高 kappa 电介质、新金属栅极和多栅极 MOSFET。

“因此，尽管‘登纳德定律’的字面含义已不再适用，但它在过去 30 年里帮助我们取得了长足进步。”

摩尔定律的终结

那么，摩尔定律是否已经失效？答案取决于你问的是谁。

有充分的理由说摩尔定律既已消亡，又未消亡。无论如何，物理定律对原始特征尺寸设定了一个底线：你不可能制造出比单个原子还细的导线。

但是，让导线变得更细也让电子更容易到达它们不应该到达的地方，通过量子隧穿在导线之间跳跃。这种“电流泄漏”会引入噪声，使二进制信号的方波变得混乱。更糟糕的是，它还使芯片容易受到热失控的影响，这可能会彻底毁掉芯片。

从狭义上讲，摩尔定律指的是晶体管密度缩放和成本，而不是硅是否仍在改进这一更大的问题，摩尔定律正在逐渐衰落。虽然新的光刻节点仍能提供一些代际密度改进，但性能、功率和面积缩放已不复当年。节点到节点的增益较小，而且它们对所有类型的硅的影响并不相同。例如，台积电最近称其能够在 2nm 节点上适度提高 SRAM 密度，而此前该公司不得不将 SRAM 密度保持在 3nm 不变。

另一方面，正如他们所说，（晶体管）尺寸并不是一切。

如果我们在更广泛、更通用的“计算机是否仍在变得更快/更高效？”框架下评估摩尔定律的剩余寿命，情况看起来会更加乐观。封装创新让半导体行业将摩尔定律的接力棒带到了比登纳德缩放比例允许的更远的地方。AMD 和英特尔等公司已经用摩尔所说的“电路和设备巧妙性”来应对普遍放缓。英特尔推出了通过其 3D 芯片堆叠技术 Foveros 连接在一起的 CPU 块，而 AMD 则推出了其小芯片策略和3D V-Cache。大约 35 年前，这两家公司都推出了新的片上神经处理单元，并明确提到了 x86 CPU 中整数和浮点单元的集成。

对于半导体制造商来说，对摩尔定律终结的看法因公司的底线而异。

那些对现状感兴趣的老牌半导体公司（例如AMD 和英特尔）更有可能将摩尔定律描绘成活生生的定律。英特尔认为摩尔定律“只有在创新停止时才会停止，而创新却从未减弱过。”

摩尔认为他自己的定律的持续存在是一种“违反墨菲定律。一切都会变得越来越好。”摩尔在接受《经济学人》采访时表示，随着特征尺寸接近单个原子的大小，必然会有一些限制。在 2015 年英特尔成立 50 周年的回顾中，摩尔称自己的预测是“疯狂的推断”，结果“比他预期的要准确得多”。