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第452章 讨论计算复杂性（第2页）

在摩尔确定的3个技术驱动因素中，有一个变得极为特殊：缩小晶体管的尺寸。至少在一段时间内，缩小MOS晶体管——我们现在仍在使用的硅栅晶体管——的尺寸的确能够实现工程领域内极少出现的一项成就：无须权衡取舍。按照以IBM工程师罗伯特?登纳德（RobertDennard）命名的度规法则，后继一代的晶体管性能总是比前一代更加优越。晶体管尺寸的不断缩小不仅可令一块集成电路上容纳的元件数量更多，也让晶体管的运行速度更快，耗电量更低。

摩尔定律之所以能够持续有效，在很大程度上便是由这个因素单独决定的，而且在摩尔定律演化的两个不同时期，它一直在发挥作用。在初期，我称之为“摩尔定律1.0”的那个阶段，进步都是通过“按比例增加”实现的，即在一块芯片上增加更多的元件。最初，这样做的目标只是吞并既有应用的分立元件，将它们打包成一套可靠且价格低廉的组件。其结果是芯片的面积越来越大，且越来越复杂。在20世纪70年代早期问世的微处理器就是这个阶段的典型例证。

但在过去几十年里，半导体行业的进步开始由摩尔定律2.0主导。这个时代的主题已经成为“按比例缩小”，即便每块芯片上的晶体管数量不再增加，晶体管的尺寸仍在继续缩小，成本也在不断降低。虽然摩尔定律1.0和2.0时代略有重叠，但从半导体行业的自身发展情况便可以看出“按比例缩小”和“按比例增加”各自的主导时期。在20世纪80年代以及90年代初期，定义行业进步的各代技术（或称“节点”）是按照动态RAM的不同系列划分的：例如1989年时，我们是以4兆字节（MB）的DRAM为节点；1992年则是16MB。随着同一块芯片上容纳的晶体管数量越来越多而成本并未增加，新一代产品意味着芯片的处理能力越来越强。

到了20世纪90年代初期，我们已经开始根据制造晶体管的细微化特性命名我们所处的节点。这一切都是水到渠成的。大部分芯片并不需要容纳尽可能多的晶体管。集成电路的应用领域开始激增，从汽车、设备器械到玩具，简直无所不包。在这个过程中，晶体管的大小——代表着芯片的性能和成本效率——开始成为更具意义的衡量指标。

最终，即便是微处理器也停止了这种在加工技术允许的条件下尽可能快的增容趋势。现在的加工工艺已经允许人们以经济节省的方式在一块逻辑芯片上放置一百多亿个晶体管。但是目前只有少数几款芯片在元件数量方面能够接近这一数值，主要原因在于我们的芯片设计水平跟不上。

目前，摩尔定律1.0对于高端图形处理器、现场可编程门阵列以及极少数用于超级计算机的微处理器而言仍旧有效。但在其他方面则是摩尔定律2.0占据主导地位。如今，摩尔定律再一次进入了变化过程。

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发生改变的原因在于微型化的优势正在逐渐消退。变化过程始于21世纪初，当时一个令人不快的事实正开始显现。那时，晶体管的尺寸已经缩小到100纳米以下，登纳德的简单度规法则达到了极限。晶体管的尺寸已小到器件本应关闭的时候也极易逸出电子，导致了能源漏损，器件可靠性下降。尽管采用新的材料和加工工艺有助于解决这一问题，但工程师们还是被迫停止采用大幅降低供给晶体管电压的做法，以便确保电钳足够坚固。

由于登纳德度规法则的分崩离析，现在的微型化工艺充满了各种权衡取舍。一味缩小晶体管尺寸已不再意味着更快的速度和更高效的性能。实际上，对于今天的晶体管而言，在缩小尺寸的同时想要维持其前一代产品的速度和耗电量都已十分困难。

因此，在过去10年左右的这段时间里，摩尔定律在更大程度上是关乎成本的阐述，而非性能；我们制造尺寸更小的晶体管只是为了降低成本。但是，这并不代表目前的微处理器不及5或10年前的同类产品。这些年里，产品设计一直在不断进步。但是，绝大部分性能方面的进步还是源于更加低廉的晶体管所实现的多核集成。

一直以来，摩尔定律始终在强调经济学方面的意义，原因就是该定律中一条非常重要但从未被广泛认可的内容：随着晶体管的尺寸越来越小，我们能够一直将每平方厘米成品硅片的制造成本年复一年地（至少到目前为止）维持在同一水平。摩尔所定义的这一成本约为每英亩十亿美元——虽然芯片制造商们几乎从未将英亩作为芯片面积的衡量单位。

将成品硅片的成本维持几十年不变并非易事。芯片的产出率一直在稳步提升，已经从20世纪70年的百分之二十左右提高到现在的百分之八九十。与此同时，硅晶片（最终被切割成芯片的圆形硅片）的尺寸也越来越大。尺寸的不断增大降低了大部分加工步骤的成本，例如在整个硅晶片上一次性完成的沉积和刻蚀环节。而且至关重要的是，设备生产率也得到了迅速提升。现在，光刻技术（用于制作晶体管以及晶体管之间连线的排列样式的印刷技术）所采用的工具的成本已经是35年前的100倍。但这些工具刻蚀硅晶片图案的速度也已经是过去的100倍，这在抵消了成本增长的同时又实现了更佳的分辨率。

产出率提高、硅晶片面积变大以及设备生产率上升这3个因素使芯片制造商在过去几十年里得以制造出元件排列越来越密集的芯片，同时又使单位面积的成本近乎不变，而每个晶体管的成本不断下降。但是，这一趋势可能会在目前终止，其主要原因就是光刻技术已变得更为昂贵。

在过去10年中，印刷细微结构方面的困难使得成品硅片单位面积的制造成本以每年百分之十的速度递增。由于每年每个晶体管的面积会比去年同期缩小百分之二十五左右，每个晶体管的成本仍会逐年递减。但是，当抵达某个临界点时，制造成本的增加速度会超过晶体管成本的下降速度，从而导致下一代晶体管的成本高于上代产品。

如果光刻技术的成本快速攀升，我们所熟知的摩尔定律一定会很快失效。而且现在已经有迹象表明摩尔定律的终结将很快到来。目前的高级芯片均采用浸没式光刻工艺制成，该工艺是将水浸的硅晶片曝露于波长为193纳米的深紫外光线下进行图案刻蚀。按照规划，下一代光刻工艺会采用波长更短的极紫外光。然而，这项本应在2004年就投入使用的技术在实际应用中却被一拖再拖，因此芯片制造商们不得不采用一些权宜之计，例如双重图形光刻。所谓双重图形光刻就是重复进行某些步骤以打造最为精细的元件结构。双重图形光刻工艺耗费的时间是单次图形光刻的两倍。尽管如此，芯片制造商们仍在考虑采用三重甚至四重图形光刻，而这些做法无疑会进一步提高制造成本。若干年后，当我们回顾2015年时也许会将其视为转折之年，晶体管的成本从这一年开始停止下滑，转而节节攀升。

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我因曾在光刻技术会议上大胆宣告摩尔定律即将失效而被业界熟知。然而，真正的事实却是，我并不认为摩尔定律会就此消亡。相反，我倒认为这一定律即将再次发生演变。

未来，半导体行业的创新将继续下去，但这些创新并不会系统性地降低晶体管的成本。相反，半导体行业的进步将以新形式的集成来定义，即将每种芯片的不同功能集成在一起，降低整个系统的成本。这听上去也许与摩尔定律1.0时代非常相像，但届时我们要做的并非把不同的逻辑电路整合在一块更大面积的芯片上，而是将长久以来都与硅晶芯片相互分离的非逻辑功能并入芯片之中。

这方面的一个早期范例便是现代手机的摄像头，这种摄像头通过直通硅晶穿孔技术将图像传感器直接合并在数字信号处理器中。除此之外，后续还会有其他的范例不断涌现。芯片设计者才刚刚开始探索如何集成微机电系统，这类系统可用于制造袖珍加速器、陀螺仪，甚至还有继电器逻辑电路。同样，用来开展生物鉴定和环境测试的微流体传感器亦能够集成在芯片中。

所有的这些技术都能够让我们把一块数字互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片与外部的模拟世界直接连接起来。如果新的传感器和驱动器能够充分利用硅晶加工中极为常见的低成本大批量生产工艺，这将会产生巨大的经济影响。

然而，从经济角度而言，这个摩尔定律再次发挥作用的新阶段——我将其称为摩尔定律3.0，而半导体业界则称之为“扩展摩尔定律”——却可能没什么意义。将非标准化元件集成到芯片上会催生众多激动人心的新产品和新功能，但这种做法却没有规律且可预测的后续成功路线图。

未来的发展之路将会更加黯淡无光。在芯片上增加一项新的功能也许会让一家公司当即赚得盆满钵满，但我们无法确保再增加另外一项功能会让这家公司在未来继续盈利。鉴于未来的输赢还是一个巨大的变数，对于一些老牌半导体公司而言，当前这个过渡时期无疑是非常痛苦的。

即便如此，我还是认为摩尔定律3.0是这条定律迄今最令人兴奋的一个演绎版本。一旦抛开对可轻易量化的进步的预期，我们便能够迎来层出不穷的创意应用，例如可以与身体无缝对接的仿生义肢、可以测试空气或水的智能手机、能从周围环境能源中获得动力的袖珍传感器以及大量我们还想象不到的应用。如我们所知，摩尔定律也许即将走向终结。但是，在它的基础上衍生出来的种种定律将推动我们在未来很长一段时间内继续前行。

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