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（一個納米是百萬分之一毫米）。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。

你看到的是晶體管的金屬互連軌道，它們在下面，不可見

　　摩爾定律，一個自我實現(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，已成為一種預(yù)言：被集成在一個芯片的晶體管數(shù)量每兩年增加一倍。這篇文章是電子學(xué)史上的一顆真正的寶石，可能是對這一科學(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)中的這種增長有一個名字：指數(shù)規(guī)律。從那時起，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，這在電子世界中被稱為摩爾定律。

　　這一預(yù)測在微電子行業(yè)起到了一種“自我實現(xiàn)的預(yù)言”的作用，即制造商年復(fù)一年地執(zhí)意要實現(xiàn)。當(dāng)然，這不僅僅是為了滿足預(yù)測，而是為了尋求（并發(fā)現(xiàn)）這一趨勢的好處，這種趨勢幾乎對行業(yè)產(chǎn)生了“神圣的使命”。當(dāng)你閱讀摩爾的文章時，仍然令人震驚的是，他在其中做出的預(yù)測不僅實現(xiàn)了，而且半個世紀(jì)以來他們年復(fù)一年地這樣做。在任何其他工業(yè)部門中都不容易找到像本次那樣堅定的預(yù)測“追逐”。

　　因此，自從 1950 年代后期問世以來，IC 在接下來的幾年里經(jīng)歷了前所未有的發(fā)展，最初是由美國太空計劃和軍事工業(yè)推動的。制造了更多數(shù)量的晶體管。如果說最初的 IC 集成了幾十個晶體管，那么幾年后市場上已經(jīng)有成千上萬的 IC 上市，而今天，有數(shù)十億個晶體管的 IC。下圖顯示了這一趨勢：

　　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)，這樣在單個硅半導(dǎo)體晶片上，可以同時復(fù)制大量相同的完整電路。此過程主要包括在硅表面上印刷多個幾何圖案，這允許定義構(gòu)成它的每個設(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去。前往 1971 年，準(zhǔn)備在可容納 2,300 人的禮堂聽歌劇，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 人將聚集在同一個場地——一個大型足球場的容量和英特爾 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，它會遇到 13 億人——中國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，觀眾本來可以容納 74 億人，也就是說，整個星球的人口 - 以及 IBM z13 存儲控制器中內(nèi)置的晶體管數(shù)量。最后，如果這次試鏡是在 2021 年進(jìn)行，那么容量會變成相當(dāng)于兩個地球的容量，因為它要聚集 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：

　　嚴(yán)格來說，芯片面積多年來也略有增長，但比例要小得多。比如Intel 4004占用了12mm?（3mm×4mm），而Bionic A 15的表面積為107.7mm?（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。

　　需要使晶體管越來越小

　　在芯片上集成越來越多的晶體管意味著減小其尺寸，這帶來了優(yōu)勢，但代價是增加了制造過程的復(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，無論可以從每個晶片獲得多少芯片，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，而不會增加它們的功耗。也就是說，芯片制造商有強(qiáng)烈的動機(jī)縮小晶體管的尺寸。這正是他們在過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)百個增加到數(shù)十億個。對于晶體管來說，這是一個驚人的小尺寸。下圖顯示了一個這樣的晶體管：

　　要了解這個小尺寸意味著什么，請想象一下，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。在這個規(guī)模上，每個晶體管將占據(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)》雜志撰寫了一篇文章，預(yù)測摩爾定律將在 2015 年達(dá)到物理極限。倫德斯特羅姆說，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議。用他的話來說：

　　有一個叫戈登摩爾的人在做演講。他在技術(shù)界很有名，但沒有人知道他是誰，我記得他的演講。摩爾說：“很快我們就能在一個芯片上放置 10,000 個晶體管。有人可以用芯片上的 10,000 個晶體管做什么？

　　”

　　今天，市場上的芯片有150 億個晶體管。您的設(shè)計師和制造商可以用它們做什么？