EDA探索之MOSFET的微缩- Moore’s Law介绍

英特尔公司联合创始人戈登・摩尔（Gordon Moore）于当地时间3月24日逝世，享年 94 岁，他是半导体行业的先驱，奠定了英特尔CPU的黄金时代，其提出的”摩尔定律”曾预测数十年来计算能力的快速上升。无疑这位半导体行业开拓者的离世是全世界的损失，他所做的工作和贡献值得我们向其致敬！

我们EDA探索频道，今天迎来了第15期的内容——MOSFET的微缩- Moore’s Law，下面就跟着小编一起来开启今天的探索之旅，走进大名鼎鼎的“摩尔定律”。

我们前面四期回顾了集成电路器件微缩的历程，总的来说，MOSFET的微缩是依照鼎鼎大名的摩尔定律进行的。摩尔定律写其说是一个定律，不如说是一个自我实现的预言。

1965年，当时的摩尔还是仙童半导体（Fairchild）的工程师时，他预测在未来的10年中，集成电路器件密度会以每年增加一培的速度进行。

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 nearly constant for at least 10 years. That means by 1975, the number of components per integrated circuit for minimum cost will be 65,000. I believe that such a large circuit can be built on a single wafer.

—Gordon Moore; Electronics Magazine Vol. 38, No. 8 (April 19, 1965)

到了1975年，10年的预测到期，摩尔不忘记更新一下他的预测。此时他已经是Intel的共同创始人。

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. ... The new slope might approximate a doubling every two years, rather than every year, by the end of the decade. ...

—Gordon Moore; International Electron Devices Meeting, Technical Digest, IEEE (1975)

此时，集成电路器件翻倍的速度从一年放慢到了两年。此后摩尔本人再没有正式发表过文章来探讨这个问题。

随后，加州理工的教授Carver Mead将这种论述提炼为“摩尔定律”，这个词从此广泛地传播开来。摩尔定律并不是一个物理定律，而更像是一个基于技术进步的速度而做出的技术和产品规划。事实上Intel在过去四十年的产品升级，基本上是沿着摩尔定律的节奏在走。

关于摩尔定律，还有一个流传广泛的版本是“每18个月，集成电路性能会翻一番“，据信这是由Intel当时的CEO David House 提出的。我们有理由相信，这是一种刻意的宣传，将市场、产业链和大众的预期都固定下来，从而得到一个持续稳健的发展节奏。

摩尔定律提出的时候，还处于Happy Scaling Era（EDA探索丨第11期：MOSFET收缩，Happy Scaling Era）。所以除了器件密度的翻倍，大家通常所认识的摩尔定律还隐含着其它的一些含义。比如单位面积的总功耗不变或增加很少，单位面积的芯片制造成本不变或增加很少。这样由器件密度增加所带来的功能和性能上的收益几乎是绝对的，并且是线性增长的。

但是随着集成电路制造工艺逐步触及到极限，越来越多的材料，越来越复杂的结构被引入，使得芯片的制造成本飙升。下图来自Marvell的资料显示，集成电路单个器件的成本在28nm之前仍然能保持约30%的下降（理想的摩尔定律会有50%的下降，因为成本不变，数量翻倍）。但是在28nm之后，器件的单位成本不降反升。