在最先進(jìn)的芯片中，晶體管像病毒一樣小，也就是大約 50-100 納米（一個(gè)納米是百萬(wàn)分之一毫米）。我們將在本文中看到晶體管的尺寸從 1959年發(fā)明集成電路 (IC)到今天是如何演變的。
圖：在顯微鏡下拍攝的芯片彩色圖像。你看到的是晶體管的金屬互連軌道，它們?cè)谙旅妫豢梢?jiàn)
摩爾定律，一個(gè)自我實(shí)現(xiàn)的預(yù)言
1965年，戈登·摩爾，英特爾的創(chuàng)始人，發(fā)表了著名文章稱，多年來(lái)，已成為一種預(yù)言：被集成在一個(gè)芯片的晶體管數(shù)量每?jī)赡暝黾右槐?。這篇文章是電子學(xué)史上的一顆真正的寶石，可能是對(duì)這一科學(xué)和技術(shù)分支的后續(xù)發(fā)展影響最大的文章之一。下圖顯示了摩爾在其著名文章中的內(nèi)容：
數(shù)學(xué)中的這種增長(zhǎng)有一個(gè)名字：指數(shù)規(guī)律。從那時(shí)起，IC 或芯片中晶體管數(shù)量的增加（它們是通常的兩種稱呼方式）一直遵循這一趨勢(shì)，這在電子世界中被稱為摩爾定律。
這一預(yù)測(cè)在微電子行業(yè)起到了一種“自我實(shí)現(xiàn)的預(yù)言”的作用，即制造商年復(fù)一年地執(zhí)意要實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，這不僅僅是為了滿足預(yù)測(cè)，而是為了尋求（并發(fā)現(xiàn)）這一趨勢(shì)的好處，這種趨勢(shì)幾乎對(duì)行業(yè)產(chǎn)生了“神圣的使命”。當(dāng)你閱讀摩爾的文章時(shí)，仍然令人震驚的是，他在其中做出的預(yù)測(cè)不僅實(shí)現(xiàn)了，而且半個(gè)世紀(jì)以來(lái)他們年復(fù)一年地這樣做。在任何其他工業(yè)部門(mén)中都不容易找到像本次那樣堅(jiān)定的預(yù)測(cè)“追逐”。
因此，自從 1950 年代后期問(wèn)世以來(lái)，IC 在接下來(lái)的幾年里經(jīng)歷了前所未有的發(fā)展，最初是由美國(guó)太空計(jì)劃和軍事工業(yè)推動(dòng)的。制造了更多數(shù)量的晶體管。如果說(shuō)最初的 IC 集成了幾十個(gè)晶體管，那么幾年后市場(chǎng)上已經(jīng)有成千上萬(wàn)的 IC 上市，而今天，有數(shù)十億個(gè)晶體管的 IC。下圖顯示了這一趨勢(shì)：
圖：CPU 和存儲(chǔ)器的摩爾定律。垂直標(biāo)度是對(duì)數(shù)的
由于其制造工藝經(jīng)歷了巨大的發(fā)展，因此可以大幅增加 IC 中的晶體管數(shù)量。微電子技術(shù)采用的程序部分讓人聯(lián)想到汽車的大規(guī)模生產(chǎn)，這樣在單個(gè)硅半導(dǎo)體晶片上，可以同時(shí)復(fù)制大量相同的完整電路。此過(guò)程主要包括在硅表面上印刷多個(gè)幾何圖案，這允許定義構(gòu)成它的每個(gè)設(shè)備，然后選擇性地沉積各種絕緣和導(dǎo)電材料，以便正確地互連不同的組件. 的 IC，連續(xù)重復(fù)多次的步驟，直到完成 IC。所有這一切都可以在 IC 制造業(yè)真正的瓶頸技術(shù)的幫助下成為可能：光刻。
摩爾定律的真正含義是什么？
為了更直觀地了解摩爾定律的含義，想象一下讀者回到過(guò)去。前往 1971 年，準(zhǔn)備在可容納 2,300 人的禮堂聽(tīng)歌劇，晶體管數(shù)量與當(dāng)年英特爾制造的第一款微處理器4004集成的晶體管數(shù)量完全相同. 如果那個(gè)禮堂的容量按照摩爾定律發(fā)展，但不改變它占據(jù)的空間并在 1982 年恢復(fù)原狀，那么 134,000 人將聚集在同一個(gè)場(chǎng)地——一個(gè)大型足球場(chǎng)的容量和英特爾 286 的容量處理器-。多年后的 2000 年，禮堂的容量已經(jīng)可以容納東京的全部人口——3700 萬(wàn)人，與最新版本的英特爾奔騰 III 處理器中的晶體管數(shù)量相同——；如果試鏡是在 2011 年進(jìn)行的，它會(huì)遇到 13 億人——中國(guó)的全部人口或英特爾酷睿 i7 處理器版本之一的晶體管數(shù)量——如果它在 2019 年參加，觀眾本來(lái)可以容納 74 億人，也就是說(shuō)，整個(gè)星球的人口 - 以及 IBM z13 存儲(chǔ)控制器中內(nèi)置的晶體管數(shù)量。最后，如果這次試鏡是在 2021 年進(jìn)行，那么容量會(huì)變成相當(dāng)于兩個(gè)地球的容量，因?yàn)樗奂?150 億人，也就是處理器的晶體管數(shù)量Bionic A 15（配備新款 iPhone 13 的機(jī)型）。如下圖所示：
圖：驚人的摩爾定律
嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，芯片面積多年來(lái)也略有增長(zhǎng)，但比例要小得多。比如Intel 4004占用了12mm2（3mm×4mm），而B(niǎo)ionic A 15的表面積為107.7mm2（8.58mm×12.55mm），這樣晶體管的比例就乘以了6870 .000，而區(qū)域則為 9。
需要使晶體管越來(lái)越小
在芯片上集成越來(lái)越多的晶體管意味著減小其尺寸，這帶來(lái)了優(yōu)勢(shì)，但代價(jià)是增加了制造過(guò)程的復(fù)雜性。晶體管越小，芯片本身就越小，晶圓上可以安裝的芯片就越多。同時(shí)，無(wú)論可以從每個(gè)晶片獲得多少芯片，處理晶片的成本都保持大致相同。這意味著減小晶體管的尺寸會(huì)導(dǎo)致芯片更便宜. 或者，芯片可以保持相同的尺寸，這樣它內(nèi)部就有更多的組件。這使得它更強(qiáng)大，但不會(huì)更昂貴。最重要的是，縮小晶體管的尺寸可以提高它們的性能，而不會(huì)增加它們的功耗。也就是說(shuō)，芯片制造商有強(qiáng)烈的動(dòng)機(jī)縮小晶體管的尺寸。這正是他們?cè)谶^(guò)去幾十年中一直在做的事情，其中芯片上的晶體管數(shù)量從數(shù)百個(gè)增加到數(shù)十億個(gè)。對(duì)于晶體管來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)驚人的小尺寸。下圖顯示了一個(gè)這樣的晶體管：
圖：當(dāng)前的晶體管與蛋白質(zhì)或病毒一樣小
要了解這個(gè)小尺寸意味著什么，請(qǐng)想象一下，我們將集成晶體管的芯片的尺寸放大，直到它與馬德里社區(qū)占據(jù)的面積（8,000 平方公里）相似。在這個(gè)規(guī)模上，每個(gè)晶體管將占據(jù)或的面積。5平方米，類似于40英寸直徑電視的屏幕面積。
結(jié)論
1970 年代開(kāi)始從事芯片行業(yè)的普渡大學(xué)教授馬克·倫德斯特羅姆( Mark Lundstrom)于 2003 年為《科學(xué)》雜志撰寫(xiě)了一篇文章，預(yù)測(cè)摩爾定律將在 2015 年達(dá)到物理極限。倫德斯特羅姆說(shuō)，在他的職業(yè)生涯中，他曾多次認(rèn)為“好了，到此為止了?！? 他記得 1975 年參加了他的第一次芯片制造會(huì)議。用他的話來(lái)說(shuō)：
“有一個(gè)叫戈登摩爾的人在做演講。他在技術(shù)界很有名，但沒(méi)有人知道他是誰(shuí)，我記得他的演講。摩爾說(shuō)：“很快我們就能在一個(gè)芯片上放置 10,000 個(gè)晶體管。有人可以用芯片上的 10,000 個(gè)晶體管做什么？”
今天，市場(chǎng)上的芯片有150 億個(gè)晶體管。您的設(shè)計(jì)師和制造商可以用它們做什么？
資訊來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
