摩爾當年到底說了啥……

這是一個人人都在談論「摩爾定律」的時代，從摩爾最早提出這一說法以來，關於這個話題的討論就從未停息。

我們沉迷於指點江山、臧否人物，習慣了道聽途說、高談闊論，似乎很少有人真正靜下心來，去尋找和閱讀第一手的資料，去聆聽前輩的原話，思考我們的前輩當年是在怎樣的情況下、用什麼樣的方法來闡述他的觀點和想法的……

這篇文章題為《Cramming more components onto integrated circuits》，1965年4月19日摩爾發表在《Electronics》（Volume 38, Number 8），被認為是「摩爾定律」的源起。儘管十年後，1975年，摩爾又發表了一篇《Progress In Digital Integrated Electronics》，修正了一些說法，但是最早的思想還是來自這篇1965年的文章。

以下是原文的翻譯，譯者保留了原文的所有內容。不過基於知乎的排版特點，譯者對原文的布局做了一些小的調整。譯者所參考的原文鏈接附在文末。

譯者：Hans

2016.11 於 上海

把更多組件填進集成電路

隨著每塊電路中組件數目增多而單位成本下降，根據經濟學規律，到1975年，單個硅晶元上可能會擠有多達65000個組件。

作者：戈登?摩爾

t時任仙童攝影器材公司 仙童半導體部門 研發實驗室 主任

t集成電子技術的未來就是電子技術自身的未來。集成化的優勢將促使電子技術迅猛發展，從而推動這門科學進入到許多新的領域。

t集成電路將催生這些奇蹟，比如家用計算機（或者至少是一個連接到某台中央計算機的終端）、汽車的自動控制以及個人便捷式通信設備，很可能今天的電子手錶將來只需要一個顯示器。

t不過最大的潛力還是在於生產大型系統。在電話通信中，數字濾波器中的集成電路將用於分離復用設備的信道。在轉換電話線路時，集成電路也能用來進行數據處理。

t計算機將會更強大，並且用完全不同的方式組織起來。比如說，用集成電路製造的存儲器可能會分布在機器中，而不是集中在一個中央單元。此外，集成電路將改善可靠性，這樣就能建立更大的處理單元。人們將會以更低的成本和更短的周期，製造出和今天同樣的機器。

一、過去和未來

我是說，集成電子技術，即那些被稱為微電子技術以及其他的各種技術，將會讓提供給用戶的電子模塊成為最簡單元。早在20世紀50年代後期，人們就開始研究這些技術。其目的在於使電子設備小型化，從而在有限的空間和最小的重量下，裝下日益複雜的電子模塊。有幾個方向從中衍生出來，包括獨立組件中的微裝配技術、薄膜結構和半導體集成電路。

每個方向都迅速演變和互相交叉，各種技術都彼此借鑒。許多研究者相信，未來的道路將是各個方向的融合。

推崇半導體集成電路的人們，已經在利用薄膜電阻的改良特性，將這些薄膜直接用於有源半導體襯底上。那些倡導薄膜技術的人，已經發明了複雜的技術，用於有源半導體設備和無源薄膜陣列的連接。

兩個方向都很奏效，並且現在已經在設備中使用了。

二、t建立

如今集成電子技術已經建立了起來。這種技術在新的軍事系統中幾乎是鐵定使用的，因為要達到某些技術在可靠性、尺寸和重量方面的要求，就必須進行集成化。比如阿波羅載人登月計劃，已經展示了集成電子技術的可靠，整個電路模塊和最好的單個晶體管一樣萬無一失。

商用計算機領域的大多數公司，都擁有使用了集成電子技術的機器，有的用在設計階段，有的用在生產早期。相比那些使用「傳統」電子技術的機器，這些機器成本更低，性能更好。

各種各樣的儀器，都在進行集成化，尤其是那些數量正在猛增、應用了數字技術的儀器，因為集成化能夠同時降低設計和製造的成本。

線性集成電路的使用仍然受到限制，以軍用為主。這樣的集成模塊不僅價格昂貴，而且適用性較低，因為在許多場合需要滿足大多數線性電子技術的要求，而它無法達到。但是在商用電子領域，一些應用正在出現，尤其是在那些需要小型低頻放大器的設備上。

三、t可靠性很重要

幾乎在所有情況下，集成電子技術都展現出了很高的可靠性。即使在現階段其生產水平低於分立元件的情況下，它也降低了系統成本，還在許多系統中實現了性能的提升。

集成電子技術能提供許多現在其他技術做不好或是根本做不到的功能，從而能讓電子技術在整個社會中得到更加廣泛的應用。它得益於現成的低成本功能模塊，其主要優勢是更低的成本和大為精簡的設計。

對大多數應用來說，半導體集成電路將佔主導地位。在集成電路的有源元件中，半導體器件是現存唯一合適的候選。無源半導體元件也很吸引人，因為它們具備低成本和高可靠性的潛力，但是只有在精度不是首要要求時才能使用。

硅很可能仍然是基本材料，儘管在特定應用中也會用到其他材料。例如砷化鎵，它在集成微波模塊中就很重要。但是在較低頻率下，硅仍會佔據主導地位，因為現在很多技術都以硅及其氧化物為核心，而且它是一種豐富且相對便宜的原材料。

四、成本和曲線

低成本是集成電子技術的重要吸引力之一，並且隨著技術的發展，在單個半導體襯底上可以製造越來越大的模塊，其成本優勢在持續增加。對於簡單電路，由於在封裝相同、大小一樣的半導體電路中，包含的組件越來越多，每個組件的成本幾乎和組件的數目成反比。但是，隨著組件的增多，電路複雜度的提升不足以彌補產率的下降，所以單個組件的成本反而增加了。因此，在技術的發展過程中，在任何時間都一定存在一個最低成本。目前，人們已經做到了每個電路能包含50個組件。但是成本的最小值正在快速提升，而整個成本曲線正在下降（圖1）。從成本曲線可以預見到，如果我們展望未來的五年，當電路中組件數目為1000時，單個組件的成本最低（假如這些電路模塊產量適中）。可以預料，到1970年，每個組件的製造成本將只有現在的十分之一。

（圖1：橫軸：每塊集成電路上的組件數目；縱軸：每個組件的相對製造成本）

最低成本組件的複雜度以大約每年兩倍的速度增加（圖2）。在短時間內，這個速率即使不增加也一定會保持。從長遠來看，增長速率更加難以確定，雖然我們沒理由懷疑，至少十年內它都會保持幾乎恆定。這意味著到1975年，每個集成電路中最低成本的組件數量將達到65000。

我相信，這麼大的電路是可以做在單個晶片上的。

（圖2：橫軸：年份；縱軸：每個集成模塊上的組件數目（以2為底取對數））

五、邊長兩密耳的方塊

（譯者註：1密耳=0.001英寸=25.4微米，即1 mil = 0.001 inch = 25.4 μm）

由於集成電路中已經採用了尺寸公差，兩個相互隔離的高性能晶體管可以製造在相距兩密耳的不同中心上。這樣一個邊長兩密耳的方塊也能容納幾個千歐級的電阻或者幾個二極體。這允許容納每線性英寸500個組件或者每平方英寸25萬個組件。因此，65000個組件僅需要佔據約四分之一平方英寸。

在當前使用的硅晶片（通常直徑為一英寸或更大）上，如果組件可以緊密地封裝在一起，而沒有因為互連模式浪費空間，那麼這種結構就有足夠的地方。這是現實的，因為人們已經致力於提高現有集成電路的複雜度，其中用到了採用介電薄膜分離的多層金屬化模式。目前的光學技術已經能讓組件達到這樣的密度，並且不需要更多的額外技術，例如電子束操作——人們正在研究這種技術以獲得更小的結構。

六、提高產率

實現百分之百的器件產率沒有根本性障礙。如今，封裝成本遠遠超過半導體結構本身的成本，人們缺乏動力去提高器件的產率，但是只要經濟上允許，它就能被提高到任意水平。化學反應中的熱力學平衡通常會限制產率，沒有什麼困難能與此相提並論；人們甚至都不必去做任何基礎性的研究或者是取代現有的工藝，只要在工作量上做努力就好了。

在集成電路發展的早期，那時候產率還非常低，提升產率是迫切的需求。如今，生產一般的集成電路和製造單個半導體器件，它們所付出的工作量是相當的。只要出於某些考慮，人們想要進行很大規模的生產，集成化的模式就能非常經濟地達到要求。

七、熱量問題

是否有可能消除單個硅晶元中成千上萬個組件產生的熱量？

如果我們可以把一台標準的高速數字計算機的體積，縮減到組件本身所需的大小，那麼現有的功耗能讓它發出亮光。但是在集成電路中，這種情況並沒有發生。由於集成電路是二維結構，在每個發熱中心附近，都有一塊表面用來散熱。此外，能量主要用來驅動和系統相關的各種線路和電容，只要一個模塊被限定在晶片上的一小塊區域，那麼所要驅動的電容值就能得到明顯的控制。事實上，縮小集成電路的尺寸，能夠讓單位面積上的電路，在相同功率下工作得更快。

八、檢驗成果之日

顯然，我們有能力製造這樣包含密集組件的設備。接下來，我們要考慮在什麼情況下我們應該這樣做。製造特定系統模塊的總成本必須最小化。為此，我們可以將工程分攤到幾個相同的項目上，或者發展靈活的技術用於包含大型模塊的工程，這樣對於特定的電路陣列，就不必承擔不成比例的開銷。也許新發明的自動化設計程序，可以直接將邏輯圖轉化成技術實現，而不需要任何專門的工程。

事實也許會證明，用小型模塊搭建大型系統更為經濟，而這些小型模塊獨立封裝、互相連接。結合功能設計和製造技術，大型模塊所具備的可用性，將使大型系統的製造商，能夠更快速更經濟地設計和製造大量不同類型的設備。

九、線性電路

集成化對線性系統的改變，不會像數字系統那樣徹底。不過，相當程度的集成化仍然會用線性電路實現。缺少大數值的電容和電感器件，是線性集成電路中最大的基本限制。

由於這些元件的自身特性，它們在存儲能量時需要佔據一定體積。儲能越多，需要的體積越大。體積大和集成化不可兼得，這從術語本身就能明顯看出來。某些共振現象，例如壓電晶體中的共振，可以在某些需要調諧功能的地方得到應用，但是電感和電容器件仍將陪伴我們度過一段時間。

未來的集成射頻放大器很可能集成多級增益，一些相對較大的調諧元件散布其中，從而用最低的成本提供高的性能。

其他的線性模塊會發生很大變化。集成結構中相似組件的匹配和跟蹤，能夠大大提升差動放大器的性能。利用熱反饋效應能夠製造具有晶體穩定性的振蕩器，因為這種效應能夠穩定集成結構，使它只在很小範圍內變動。

即使在微波領域，集成電路中定義的結構也變得越來越重要。至少在低頻段，如果能夠製造和組裝尺寸比對應波長要小的組件，那麼使用集總參數設計將會成為可能。集成電路在微波領域中到底能得到多麼廣泛的應用，現在還很難說。比如相控陣天線這樣被成功實現的技術，使用了大量的集成微波電源，這徹底地改變了雷達。

參考資料：

Cramming more components onto integrated circuits（IEEE 1998年 重印版）

Cramming more components onto integrated circuits（《Electronics》1965年 原版）

Wikipedia: Gordon Moore

題圖人物：

戈登·厄爾·摩爾（Gordon Earle Moore，出生於1929年1月3日），美國科學家、企業家，Intel公司創始人之一，「摩爾定律」的提出者。

題圖來源：

b2bstorytelling：Wise men say

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