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作者：BABBAGE
“摩爾定律’的定義已經(jīng)涉及到幾乎所有與半導體行業(yè)相關的事物，當它們被繪制在半對數(shù)紙上時，就近似于一條直線。——戈登·摩爾（Gordon Moore）”
本文探討了摩爾定律的歷史和現(xiàn)狀。這并不是一篇對摩爾定律歷史或半導體未來發(fā)展技術基礎進行詳細探討的文章。相反，本文試圖提供摩爾定律及其發(fā)展的高層次概述。在這次探究中，本文在幾個關鍵點上借鑒戈登·摩爾自己的觀點。
“距離60歲生日還有兩年，摩爾定律變得有點像薛定諤的貓——同時存在死亡和活著兩種狀態(tài)。——經(jīng)濟學人，2023年12月16日”
任何關于半導體未來的討論很可能都會從摩爾定律開始。文章“尚未完全消亡” 也遵循了這一常見模式。
近年來，摩爾的預測主導了該主題的討論。這個谷歌Ngram模型顯示了過去十年中“摩爾定律”如何在出版的書籍中幾乎與該定律描述的“集成電路”這個詞一樣被頻繁引用。
或許我們不應該感到驚訝。隨著個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)和智能手機改變了我們的生活和社會，摩爾定律也具有了反映這些變化重要性的文化意義。
然而，許多關于摩爾定律的討論中都出現(xiàn)了不確切之處。有些評論者忘記了或刻意不去討論摩爾定律的真正含義。例如，上面提到的最近發(fā)表的一篇文章介紹了一些重要且有趣的新技術，但值得注意的是，考慮到報紙的名字，它竟然沒有討論對“定律”至關重要的經(jīng)濟學。
這種不確切性可能是其所提到的分歧的根源。摩爾定律仍然適用還是已經(jīng)結束了？讓我們來聽聽兩位行業(yè)領袖的看法：
“摩爾定律已死”——黃仁勛，2022年9月
摩爾定律“仍然有效”?——Pat Gelsinger，2022年9月
黃仁勛說不，Pat說可以！那么，誰是對的呢？
這并不是摩爾定律第一次被宣布死亡，或者起碼是即將死亡。下圖是對“摩爾定律的終結”的進一步概括，自20世紀90年代末以來，這顯然一直是一個熱門的討論話題。
英特爾的馬克·玻爾 (Mark Bohr) 曾說過：“摩爾定律的終結總是在10年后”，“是的，現(xiàn)在還有10年的時間?！?/strong>
摩爾定律未來的不確定性是不可避免的。如果存在可預見的技術障礙，那么對是否應該繼續(xù)實施的質(zhì)疑是可以預料的。但正如我們所知，半導體行業(yè)一次又一次地突破了這些技術障礙。
在本文中，我們將再次回顧摩爾的原始預測和修訂后的預測，并試圖理解摩爾定律的真正含義。隨后回顧有關摩爾定律預測目前狀況的各種說法。最后，我們將簡要了解在摩爾定律之后的生活可能會是什么樣子。在這個過程中，我們的導師將是戈登·摩爾（Gordon Moore）本人。
?01在摩爾定律之前
戈登摩爾并不是第一個預測單個集成電路上晶體管數(shù)量會大幅增加的人。1964年在紐約舉行的IEEE會議上，西屋電氣（Westinghouse）公司的Harry Knowles預測到1974年：“我們將在一個單片晶圓上看到250,000個邏輯門?！?/p>
摩爾當時就在聽眾席上，他后來回憶說，他認為諾爾斯的預測是“荒謬的”。他任職的仙童半導體（Fairchild）在努力將更多的邏輯門安裝在一英寸的晶圓上。會議上的其他發(fā)言者對半導體技術的發(fā)展也持更加保守的觀點，與諾爾斯的觀點相矛盾，其他人認為他的預測是“瘋狂的”。
摩爾定律（1965年版）
然而，摩爾很快發(fā)現(xiàn)諾爾斯的預測并不像他想象得那樣瘋狂。1965年，當他被要求為《Electronics》雜志撰寫一篇關于半導體行業(yè)未來的文章時，他查看了自己關于已經(jīng)取得的成就的數(shù)據(jù)：我發(fā)現(xiàn)隨著制造技術的進步，每個元件點的最低成本在過去幾年中迅速下降。根據(jù)這一觀察，我獲取了一些數(shù)據(jù)點并繪制了一條曲線，推斷出需要預測的十年。
摩爾后來更詳細地描述了他的方法：“從仙童半導體推出的早期‘Micrologic’芯片開始，我在1965年將集成電路的數(shù)據(jù)點繪制到了50-60個組件電路上。在半對數(shù)圖上，這些點接近一條直線，直到1965年，其復雜性每年都增加一倍。為了進行我的預測，我只是將這條線在時間上再外推十年，并預測在商業(yè)上最復雜的電路中，元件數(shù)量將增加1000倍。”
該推斷的本質(zhì)將構成“摩爾定律”的核心：“隨著每個電路上的組件數(shù)量增加，單位成本下降，到1975年，經(jīng)濟可能會驅(qū)使在單個硅片上擠壓多達65,000個組件?！?/p>
這與西屋電氣公司諾爾斯的預測不完全一樣，但仍然“瘋狂”。
摩爾后來說，他沒想到這個預測會得到如此精確的實現(xiàn)：“我只是想傳達這樣一個想法：這是一項有未來的技術，從長遠來看，它有望做出相當大的貢獻。”
如果我們采用摩爾引用的數(shù)字，那么1965年有50-60個組件，到1975年增加到65,000個，十年間增長約1,000倍。這相當于十年內(nèi)組件數(shù)量每年翻倍。
摩爾定律（1975年版）
摩爾的一位朋友、加州理工學院的卡弗·米德很快將這一預測稱為“摩爾定律”。1975年，摩爾重新審視了 “摩爾定律”。根據(jù)他的最新數(shù)據(jù)，他提出了修正后的預測：“到本世紀末，斜率可能每兩年增加一倍，而不是每年增加一倍?！?/p>
摩爾隨后使用這個新的斜率來推斷了之后十年，即到1985年。
這個“1975 年定律”還有一個版本，涉及每18個月將（計算機性能）提高一倍，摩爾將其歸因于英特爾的Dave House：“現(xiàn)在被引用的是每18個月翻倍……我認為是戴夫·豪斯（Dave House）做到了，他曾經(jīng)在英特爾工作過，他認為復雜性每兩年翻一番，晶體管變得越來越快，計算機性能每18個月就會翻一番……但這就是英特爾網(wǎng)站上的內(nèi)容……以及其他所有內(nèi)容。我從來沒有說過18個月，但這是經(jīng)常被引用的說法。
在本文的剩余部分，我們將堅持摩爾自己的預測。
?02摩爾定律的實踐
那么摩爾的預測結果如何呢？
1995年，戈登·摩爾本人在一篇名為《光刻與摩爾定律的未來》的文章中重新審視了他的預測。他繪制了一張圖表，顯示盡管他的預測并沒有完全準確，但變化的速度基本上在按照預測進行。
摩爾在其最初預測的40周年之際再次重新審視了他的預測。他再次發(fā)現(xiàn)，他修改后的預測結果很好。
關于到2020年的最新更新，我們可以訪問“我們的數(shù)據(jù)世界”網(wǎng)站，該網(wǎng)站展示了CPU上晶體管數(shù)量的歷史趨勢：1965年，戈登·摩爾預測這種增長至少還會持續(xù)10年。這種預測是正確的嗎？
在圖表中，我們直觀地看到了自1970年以來晶體管密度（集成電路上晶體管的數(shù)量）的增長情況。它看起來與1965年摩爾的簡單繪圖驚人地相似。請再次注意，晶體管數(shù)量位于對數(shù)軸上，因此線性關系意味著增長率是恒定的。這意味著晶體管數(shù)量的增長實際上指數(shù)級的。
摩爾后來評論道：“我們無法預測未來會發(fā)生什么。這只是一個幸運的猜測，對我來說……幸運的推斷。事實證明摩爾的預測是一個“幸運的猜測”！
這一進展是如何實現(xiàn)的？
為了更深入地了解摩爾的預測如何應用于實踐，值得考慮一下這一進展是如何實現(xiàn)的。Moore 在1975年對此進行了研究：
他將進展分為三個部分（參見上圖，展示了摩爾過去的分析和1975年以來的短期推斷）：組件尺寸的減小；半導體芯片尺寸的增加；（摩爾稱之為）“設備和電路智能”的貢獻。
也許令人驚訝的是，增長的貢獻很少是由于“尺寸縮小”的貢獻，而很多是由于摩爾所說的“設備和電路智能”。這一項到底是什么？
有人認為這個因素是壓縮芯片中的浪費空間、消除隔離結構和其他各種因素。
他還發(fā)現(xiàn)，“芯片尺寸的增加”與“更小的組件”的貢獻接近。1975年，英特爾8080微處理器芯片的面積為20平方毫米。如今，Apple M1 Max芯片的面積為425平方毫米。這20倍的增長雖然低于遵循摩爾的推斷所需的倍數(shù)，但在過去的幾十年里，它仍然成為了推動定律進步的重要貢獻者。
摩爾不僅僅關注芯片尺寸的增長。他還考慮了晶圓尺寸的增加，在摩爾撰寫這篇回顧文章時，晶圓尺寸已經(jīng)從四分之三英寸增加到300毫米。這與他的一個推測所暗示的57英寸晶圓尺寸不太匹配。不過，英特爾確實提供了一個例子來說明這在實踐中可能意味著什么。
?03摩爾定律：誤解與現(xiàn)實
在繼續(xù)講述之前，我們應該解決關于摩爾定律的一些流行誤解，并強調(diào)一些關鍵點。摩爾定律：
1.并非一個“自然定律”
這與設備的基本物理或化學特性無關，當然，是基本物理和化學特性最終限制了元件的尺寸。
2.并不能預測計算機性能的指數(shù)級增長。我們已經(jīng)看到，摩爾沒有預測性能每18個月翻一番。芯片上更多的組件可以帶來性能的提高，但這種關系很復雜，2006年左右，Dennard Scaling5的結束意味著即使摩爾定律仍在繼續(xù)，性能的增長速度也有所放緩。
3.并非僅僅是縮小元件尺寸
參照上面和后面的更多討論。
4.確實對集成電路上組件數(shù)量隨最佳單位經(jīng)濟性（即每個組件的最低成本）的增長進行了預測
摩爾定律并沒有描述集成電路上組件數(shù)量的最大可能增長。我們可以用摩爾在1965年的原始論文中的這張圖表來說明這一點，該圖表顯示了具有更多組件但單位經(jīng)濟性較差的電路。摩爾的預測是關于這些曲線的最小值。
關鍵在于，每個組件的成本呈指數(shù)級縮減。如果每個組件的成本不以這種方式降低，那么具有指數(shù)級增長數(shù)量的組件的集成電路成本將呈指數(shù)級增長。
順便說一句，為什么每個組件的制造成本圖表看起來像這樣？在摩爾的第一篇文章發(fā)表之前，西屋電氣公司的Harry Knowles發(fā)表的一篇論文中有一個線索。這是“產(chǎn)出曲線”和“每個組件的100%產(chǎn)出成本曲線”的乘積。
最后一點，摩爾定律已經(jīng)被用來創(chuàng)建一個時間表，半導體行業(yè)可以圍繞它安排自己的發(fā)展。
摩爾定律最終成為了一個自我實現(xiàn)的預言，部分原因是公司以這種方式組織自己，以根據(jù)摩爾的預測實現(xiàn)改進?；蛟S，與其說是運氣，不如說是計劃！
作為經(jīng)濟學的摩爾定律
如果摩爾定律不是自然定律，那么它到底是什么？
“摩爾定律實際上是關于經(jīng)濟學的。我的預測關于半導體行業(yè)的未來方向，我發(fā)現(xiàn)通過其一些基本經(jīng)濟學可以最好地理解該行業(yè)?！甑恰つ枴?/p>
然而，僅僅說“與經(jīng)濟學有關”并不能真正幫助我們理解正在發(fā)生的事情。讓我感到意外的是，在研究這篇文章時，關于摩爾定律背后的經(jīng)濟學似乎被寫得出奇地少。這或許是因為這個主題很復雜，而且它位于兩個專業(yè)領域的交匯處。摩爾定律是半導體制造經(jīng)濟學和底層技術之間一系列高度復雜相互作用的最終結果。
為了突破這種復雜性，對摩爾定律的一種（非常簡單的）思考方式是作為良性循環(huán)的闡述:
創(chuàng)造更復雜的設備……導致……
這些設備的市場更大……這反過來又刺激……
對研發(fā)和更復雜制造的投資……這反過來又導致……
創(chuàng)建更復雜的設備……
……如此循環(huán)下去…
摩爾在他工作的公司（首先是仙童公司，然后是英特爾公司）里看到了技術創(chuàng)新的可行速度。什么是可能的，部分取決于企業(yè)能夠承擔的投資水平。
正如上文所述，這個周期當然是對實際情況的簡化。它忽略了半導體制造商之間的競爭，而在實際操作中，這將是影響他們發(fā)展更先進設備方法的主要因素。然而，我認為根據(jù)上述模型，有趣的是，公司之間的競爭并非維持這一良性循環(huán)的先決條件。
這種模式的另一個簡化之處是，參與者可以展望兩年以上的周期，預測未來的改進并為以后周期的需要做準備。
這是“定律”的奇妙之處之一。通過為這些發(fā)展制定時間表，企業(yè)可以集體組織起來以實現(xiàn)這些發(fā)展。
有理由確信，這是促使摩爾以這種方式陳述問題的原因之一。通過概述他認為可以預期改進的速度，他給供應商和客戶提供了一個提示，讓他們?yōu)檫@些改進做好準備。
這些改進的實際節(jié)奏也很重要。摩爾利用他的觀察和經(jīng)驗制定了一個他認為可能是可持續(xù)的改進速度。如果他弄錯了，那么這可能會導致良性循環(huán)的潛在中斷:
過快的速度會導致技術上的過度延伸，可能導致無法制造出所需的更復雜的設備；
太慢的速度則不足以刺激維持制造這些設備所需投資的需求
通過保持可控但有意義的進展速度，這一勢頭才能得以延續(xù)。
將這一改進速度公之于眾的一個附帶好處是，盡管企業(yè)可能會試圖加快速度以獲得競爭優(yōu)勢，但以一致的速度發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)將限制它們。
?04摩爾定律的終結
摩爾在2005年做出了最后一組預測。
“正如過去四十年所證明的那樣，一群富有獻身精神的科學家和工程師能夠做出令人驚嘆的事情。我看不到什么時候結束，我只能看到未來十年左右的情況?！甑恰つ?，2005年”
現(xiàn)在距摩爾認為他可以預見未來的“十年左右”已經(jīng)過去了將近十年。我們現(xiàn)在能更多地談論關于“定律”何時終結的問題嗎？
首先要指出的是，像摩爾定律這樣的指數(shù)增長總會在某個時候終止。集成電路上的組件數(shù)量不可能“永遠”繼續(xù)翻倍。
然后，如果我們回到良性循環(huán)，我們會發(fā)現(xiàn)這個循環(huán)可能會因為未能做到以下幾點而被打破：創(chuàng)建更復雜的設備，或者…為這些設備創(chuàng)建/擴大市場，或者…刺激研發(fā)和先進制造投資…
讓我們依次看看這些潛在的“故障點”。
物理限制和路線圖
本帖開篇的提到的發(fā)表的文章關注的是如何解決制造更復雜設備過程中的一些技術障礙。它強調(diào)了一些試圖繞過這些障礙的措施，從“幾乎投入生產(chǎn)”到“有點投機”，包括:從“finFET”轉向“納米片”；背面供電；硅的替代品包括“過渡金屬二硫?qū)倩铩保?/strong>
所有這些，無論以何種方式，都是達到一個目的的手段——進一步縮小組件。
正如我們所注意到的，摩爾定律被用來創(chuàng)建一個半導體行業(yè)自我組織的時間表。此時，我們可以參考“設備和系統(tǒng)國際路線圖”（IRDS）中列出的當前時間表。
2023年路線圖的執(zhí)行摘要可免費下載。這本書有64頁，讀起來很引人入勝，也不算太長，它提供了許多關于光刻技術、材料科學、計量學和芯片制造過程其他關鍵方面可能發(fā)展的細節(jié)。
我們不打算在這里總結報告的內(nèi)容。相反，我們將只關注制造過程中可能終結摩爾定律的一個方面。
雖然摩爾定律的“頭條”并沒有直接指定更小的組件，但正如我們所看到的，在實踐中，通過所謂的“節(jié)點縮小”創(chuàng)建更小的組件一直是實現(xiàn)該定律預測的芯片上組件指數(shù)級增長的關鍵。
在這一點上，我們需要澄清一個常見的誤解。也許對公眾理解摩爾定律最無益的貢獻是“過程節(jié)點”的命名。事實上，帶有物理長度標簽（如5納米、3納米、18納米等）的“節(jié)點大小描述”與組件的實際大小無關。毫不奇怪的是，人們普遍認為我們正接近基本極限，因為組件的大小正在接近原子級。正如Samuel K. Moore在2020年IEEE Spectrum上發(fā)表的一篇副標題為“是時候拋棄舊的摩爾定律指標了”的文章中所述：
“畢竟，1納米只相當于五個硅原子的寬度。因此，你完全可以認為摩爾定律將很快終結，半導體制造技術的進步將不再帶來處理能力的提升，固態(tài)器件工程是一條沒有未來的職業(yè)道路。然而，你會發(fā)現(xiàn)自己想錯了。半導體技術節(jié)點系統(tǒng)呈現(xiàn)出的畫面是不真實的。一個7納米晶體管的大部分關鍵特征實際上遠大于7納米，而這種名稱與物理現(xiàn)實之間的脫節(jié)大約已經(jīng)有二十年的歷史了?！?/p>
Samuel K. Moore舉了一個例子來說明這在實踐中意味著什么：
IEEE國際設備與系統(tǒng)路線圖（IRDS）主席Gargini在4月份提出，該行業(yè)通過采用一種三數(shù)字指標來“回歸現(xiàn)實”，該指標結合了接觸柵極間距（G）、金屬間距（M）以及對未來芯片至關重要的芯片上器件的層數(shù)（T）。
“這三個參數(shù)是評估晶體管密度所需的全部信息，”ITRS負責人Gargini說道。
IRDS（International Roadmap for Devices and Systems，國際器件與系統(tǒng)發(fā)展路線圖）顯示，即將到來的5納米芯片具有48納米的柵間距、36納米的金屬間距，以及一個單層結構——這就是G48M36T1度量。雖然這并不容易讓人記住，但它所傳達的信息比“5納米節(jié)點”要實用得多。
因此，這些組件實際上比其節(jié)點名稱所暗示的要大得多。
盡管如此，這些組件仍然變得非常??！最終達到由EUV光刻技術的局限性而產(chǎn)生的極限。
當然，我們以前也見過這樣的限制。EUV能夠突破DUV之前的限制，但代價是……。
節(jié)點縮減導致成本上升
這一成本將我們帶到了第二個潛在的失敗點，即需要為更復雜的集成電路創(chuàng)造或擴大市場。不過，首先要注意的是，接下來是對制造芯片的基本經(jīng)濟學的某些方面的極其簡化的討論。
值得注意的是，不僅集成電路上的組件數(shù)量呈指數(shù)級增長（大致符合摩爾定律），而且這些集成電路的價格仍然在可承受范圍內(nèi)，這反過來意味著每個組件的成本也呈指數(shù)級縮減。盡管半導體晶圓廠的成本不斷上升，但情況仍然是如此。
戈登·摩爾闡述了后來被稱為“摩爾第二定律”或“洛克定律”（以阿瑟·洛克（Arthur Rock）命名，他幫助資助了英特爾并擔任該公司董事長多年），該定律指出“半導體芯片制造廠的成本每四年翻一番”。
摩爾本人敏銳地意識到光刻工具成本的增加。這是他1995年論文中的一張圖表：
這是美國貿(mào)易機構Sematech在本世紀初繪制的“階梯”價格圖表。
“前沿”光刻工具的成本持續(xù)快速上升。ASML剛剛向英特爾交付了其首款“high-NA”EUV系統(tǒng)，據(jù)稱價格為2.75億美元。只有使用這種設備的公司能夠提高銷售額，設備價格的長期上漲才能持續(xù)。他們做到了。下圖是臺積電過去20年的收入。
更高的成本和更高的效用
但是如果這種增長停止了會發(fā)生什么呢？讓我們研究一下，如果更昂貴的光刻工具或其他原因?qū)е碌母叱杀炯由响o態(tài)需求最終導致價格上漲，可能會發(fā)生什么。
更高的價格在經(jīng)濟上有意義嗎？只有當用戶從這些更昂貴的芯片中獲得相應的價值時才是有意義的。我們可以很容易地找到這種價值來源的例子:
低功耗：降低集成電路的使用壽命，或者延長便攜式設備的電池壽命。
更高的實用性：能夠?qū)⒏喙δ芎托阅芗傻絾蝹€集成電路中。
然而，在某種程度上，更小節(jié)點的實用性可能不足以支持高昂的成本。即使這些更小的節(jié)點按照摩爾定律保持最佳單位經(jīng)濟性，它們?nèi)钥赡芤馕吨懊總€芯片”的成本如此之高，以至于無法被證明合理。
以Apple為例，目前，Apple可能愿意為臺積電最新的晶圓支付更高的價格，因為這些芯片將用于最昂貴的iPhone。然而，如果價格繼續(xù)上漲，這種情況不能無限延續(xù)。消費者為高端手機支付的價格終究是有限的。
不斷增長的投資需求要依賴于持續(xù)增長的需求。更高的晶圓成本不可避免地會降低需求，打破驅(qū)動摩爾定律數(shù)十年的良性循環(huán)：更大的需求和更高的投資。
也許會出現(xiàn)一種新的對最先進半導體的需求來源，有助于長期維持投資并保持單位成本降低?？赡軄碜?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%9C%BA%E5%99%A8%E5%AD%A6%E4%B9%A0/">機器學習的新應用？我們拭目以待。
最終，即使進一步縮小節(jié)點是可能的，不斷上升的芯片成本意味著在沒有額外需求的情況下，“良性循環(huán)”的經(jīng)濟效益將瓦解。
?05投資和“芯片競賽”
即使制造更先進節(jié)點的經(jīng)濟學不再有意義，那么政治，尤其是地緣政治可能會發(fā)揮作用。以下是一些最近的頭條新聞:
美國報告顯示，對520億美元半導體芯片融資表現(xiàn)出濃厚興趣（2023.08）
布魯塞爾批準歐洲本土半導體獲得80億歐元的新補貼（2023.06）
日本為國家芯片行業(yè)準備了130億美元的資金支持（2023.11）
目前，我們正處于一場“芯片競賽”中，各國競相砸錢建立新的“晶圓廠”。這些國家真正想要的是“最前沿”制造技術。
或許，通過政府資助研發(fā)以及先進制造所需的投資，良性循環(huán)可以維持一段時間。我之所以說“或許”，是因為在這些頭條新聞中提到的資金，如果真的被投入使用，也無法確定是否能確保有效的投資以及推動技術的不斷進步。
而且，在某個時候，甚至政府也可能虧空資金，意識到自己無法繼續(xù)競爭，或者看不到進一步投資的價值。
摩爾本人非常清楚，需求的指數(shù)增長不可能永遠持續(xù)下去。下面是摩爾1995年論文中的一張圖表，比較了“全球國內(nèi)生產(chǎn)總值”和半導體行業(yè)的情況：
摩爾對此圖表評論道：“正如你看到的，在1986年，半導體行業(yè)約占全球國內(nèi)生產(chǎn)總值的0.1%。僅在十年后，也就是2005年左右，如果我們維持相同的增長趨勢，將占到1%；到2025年左右，占到10%。到本世紀中葉，將占據(jù)全部。顯然，行業(yè)增長必須放緩。
我不知道我們可以占全球國內(nèi)生產(chǎn)總值的多少，但遠超1%就會讓我感到驚訝。我認為，在這個時期，信息產(chǎn)業(yè)顯然將成為全球最大的產(chǎn)業(yè)，但過去的大型產(chǎn)業(yè)，比如汽車，都沒有達到全球國內(nèi)生產(chǎn)總值的1%。我們的行業(yè)增長不久就必須放緩。在這里我們存在內(nèi)在的矛盾。成本呈指數(shù)級上升，而收入無法長時間以相應的速度增長。我認為這至少與實現(xiàn)十微米技術挑戰(zhàn)一樣嚴重。”
根據(jù)我的估計，在2023年，芯片制造商的總收入大約占全球GDP的四分之一百分點，所以在這種情況下，摩爾的判斷偏離了一個數(shù)量級以上。然而，他的根本觀點仍然成立。這種關系必然在最終限制了行業(yè)的增長規(guī)模。
系統(tǒng)集成
現(xiàn)在我們考慮最后一個因素。我們將回到摩爾1965年論文中的另一項觀察。
正如上面引用的IEEE文章所說：Gargini表示：“到2029年左右，我們將達到光刻技術的極限。在那之后，前進的道路就是堆疊……這是提高我們密度的唯一方法?！?/p>
設備和系統(tǒng)國際路線圖執(zhí)行摘要中提到：在接下來的10年甚至更長的時間內(nèi)，尺寸縮放將繼續(xù)不受阻礙地作為提高集成電路中晶體管密度的手段。然而，由于動態(tài)功耗限制施加的約束，在最大工作功率受限于5-6 GHz的情況下，晶體管溝道長度縮放不再是滿足性能要求的“必須做到”的指標。多層NAND存儲單元已經(jīng)在穩(wěn)定生產(chǎn)，納米片晶體管將在FinFET晶體管之后采用，然后將跟進堆疊NMOS/PMOS晶體管。各種2.5D和3D結構方法將增加組件密度，并將許多同質(zhì)和異質(zhì)技術集成到新的革命性系統(tǒng)中。
用較小的組件構建系統(tǒng)不僅僅意味著通過“堆疊”組件來實現(xiàn)“垂直”。它還包含并排連接的較小芯片的“小芯片”。
臺積電的Philip Wong在Hot Chips 2019上發(fā)表了題為“下一個節(jié)點將為我們提供什么？”的演講，該演講以這張幻燈片開頭：
然后花一半以上的時間討論“系統(tǒng)集成”或從更小的功能構建出更大的系統(tǒng)，這張幻燈片對此進行了簡要總結：
因此，在摩爾發(fā)表最初論文近六年后，事實再次證明他是有先見之明的。
?06摩爾定律（2023 版）
回到關于摩爾定律現(xiàn)狀的分歧。
如果您一直密切關注摩爾定律的辯論，那么您會發(fā)現(xiàn)上面Pat Gelsinger的引述并不代表他在該主題上的最新立場。就在英特爾Innovate 2023大會上展示這張幻燈片幾個月后……
Gelsinger將他的立場修改為：“摩爾定律本質(zhì)上是你能在X、Y方向上縮小，并能在X和Y方向上實現(xiàn)0.7倍的縮小，這樣你大約每兩年就能實現(xiàn)兩倍的增長，那是摩爾定律的黃金時代。現(xiàn)在已經(jīng)不再是摩爾定律的黃金時代了，情況變得更加困難。所以我們現(xiàn)在實際上可能每三年才能實現(xiàn)一次翻倍，我們已經(jīng)看到了放緩的趨勢?！?/p>
所以今天，Gelsinger其實并不真正相信1975年版本的摩爾定律還在繼續(xù)（盡管注意到他在演講的后面部分對這些評論稍有保留）。
原來，我們關于摩爾定律是死是活的謎底在揭開盒子時產(chǎn)生，我們會發(fā)現(xiàn)薛定諤原先那不幸的貓其實已經(jīng)死了。不過，它的一個“近親”仍然活著。
公平地說，摩爾定律的含義存在一定程度的模糊性已經(jīng)很長一段時間了。戈登·摩爾本人在1995年表示：“摩爾定律的定義已經(jīng)演變成幾乎涵蓋了與半導體行業(yè)相關的所有內(nèi)容，當這些內(nèi)容在半對數(shù)紙上繪制時，大致呈一條直線。回顧其起源以便限定其定義，我有些猶豫。”
我們試著總結一下：節(jié)點縮小將持續(xù)一段時間，速度會放緩，但成本會越來越高。然而，摩爾定律不僅僅是關于縮小組件的。過去已經(jīng)有其他方式去“將更多組件壓縮至集成電路”，并且未來仍將繼續(xù)出現(xiàn)這樣的方式，包括摩爾所說的“設備智能”和“用小型功能構建大型系統(tǒng)”，這些方式將繼續(xù)在一段時間內(nèi)支持（修訂版的）摩爾定律。最后，最有可能終結摩爾定律的是經(jīng)濟學，而非物理學。
摩爾之后
那么，當節(jié)點縮小、小芯片、堆疊和其他改進來源帶來的收益真正結束時，會發(fā)生什么呢？我們應該持悲觀態(tài)度嗎？技術“進步”會戛然而止嗎？
這張來自英偉達首席科學家Bill Dally在2023年通過IEEE Spectrum發(fā)布的幻燈片講述了一個不同的故事。
在過去十年中，“單芯片推理性能”提高了1000多倍，其中只有2.5倍直接來自流程改進?！?/p>
要維持摩爾定律的進步，需要投入數(shù)十億美元的投資，進行一些非常復雜的工程技術，并帶來一系列國際問題。然而，所有這些僅僅為英偉達 GPU性能提升貢獻了一小部分?！?/p>
實際上，單單“數(shù)字表示法”帶來的性能增益已經(jīng)超過了工藝改進帶來的改善10倍以上。
當然，這與以英偉達首席執(zhí)行官黃仁勛命名所謂的黃氏定律（Huang's Law）有關：
黃氏定律是計算機科學和工程領域的一個觀察的結果，即圖形處理單元（GPU）的技術進步速度遠遠超過傳統(tǒng)的中央處理單元（CPU）。
也許像數(shù)字表示和更復雜的指令這樣的增益是“一次性的”。它們不是摩爾定律在50多年里帶來的那種重復的、一致的“指數(shù)”增長模式的一部分。也許人工智能是如此之新，以至于這些巨大的收益變得令人期待。
然而，這種看法忽略了建立在這些制造工藝之上的整個現(xiàn)代計算堆棧的深度、復雜性以及相對的“新穎性”。盡管機器學習屬于新領域，但整個計算堆棧的其他部分也不算陳舊。
?07超越摩爾
2016年11關于摩爾定律終結的文章中使用了一個多次被重復的類比：
“如果汽車和摩天大樓自1971年以來以這樣的速度發(fā)展，現(xiàn)在最快的汽車速度將達到光速的十分之一；最高的建筑將達到月球的一半。”其指出，進步將由三個領域的進步來定義：軟件（以DeepMind的AlphaGo為例）、云以及新架構。
最近，David Patterson一直在談論“計算機架構的新黃金時代”（參見David Patterson和John Hennessy的圖靈講座鏈接筆記）：
“Dennard縮放的終結、摩爾定律的終結以及標準微處理器性能增益的減速，并不是必須解決的問題，而是一旦認識到它們，就能帶來驚人機遇的事實。在未來十年里，我們將見證計算機結構領域的“寒武紀大爆炸”，這對學術界和工業(yè)界的計算機架構師來說是令人激動的時代?！?/p>
當一個芯片上有數(shù)千億個晶體管時，仍有很多很多機會可以探索使用它們的新方法。
讓我們回到汽車的類比。沒有汽車版本的摩爾定律，汽車的速度沒有像1971年那樣提高數(shù)百萬倍，但在其他一系列重要指標方面，它們已經(jīng)獲得了巨大的提升；如安全性、舒適性、可靠性等。
即使沒有縮小組件，計算機的發(fā)展前景也遠遠超過汽車。我們可以期待摩爾定律以各種形式終結，并對未來的許多機會持樂觀態(tài)度。
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