戈登·摩尔留给我们的“遗产”

上周，半导体行业丰碑式的人物戈登－摩尔在家中过完了他圆满的一生。斯人已逝，而摩尔留给半导体行业的遗产却会在未来继续引领行业发展。

半导体电路设计工程化

在摩尔的年代，半导体工艺、器件和电路设计仍然处于新生阶段，在当时大规模集成电路的概念尚未出现。当时，半导体行业的领导人物通常都有学术界的研究背景，这也就导致了两个思路问题。

首先是研究思维大于工程思维，例如半导体领域的先驱肖克利是学术界的一代巨擘，因为在半导体物理领域的成就而获得了诺贝尔奖，但是他作为肖克利半导体实验室的负责人运营公司时，其研究思维大大限制了公司的发展，这也是摩尔决定离开肖克利实验室并加入仙童半导体的原因。

除了工程思维缺乏之外，另一个问题是如何半导体器件和电路设计。半导体器件和电路设计在当时是非常不同的两个领域，因此在半导体领域的人才在当时往往是各自为政，但是如何把半导体器件和电路设计结合在一起却并不为人知。在仙童，摩尔意识到了这个问题，而这样的思考最终让摩尔在创立Intel的时候创立了全新的道路。

在摩尔离开仙童创立Intel后，摩尔决定要解决这两个问题。为了确保工程思维能在公司中有应有的位置，并且不同背景领域的人能在一起解决问题，摩尔在Intel要求所有的研究人员都直接参与芯片的生产过程，这样让科学理论和工程实践能很好的结合在一起，并且让电路设计和半导体器件工艺也紧密结合，最终成就了Intel跨时代IDM巨头的地位。

我们认为，摩尔是半导体从学术界最终真正走向工业化的最大功臣之一。他强调系统工程化思维，尤其是强调电路和工艺结合设计的特点，在今天看来也并不过时。在现今半导体工艺提供性能提升越来越有限的阶段，芯片性能的进一步提升必须依靠系统工程，需要算法、电路、工艺和器件的协同优化才能实现。

摩尔定律与指数发展

摩尔留给我们最重要的遗产可能就是摩尔定律了。１９６５年，摩尔做出了著名的被称为“摩尔定律”的预测：在未来每年芯片上的晶体管数量会翻倍。在１９７５年，摩尔将晶体管翻倍的时间修正到了两年。但是无论是一年还是两年，摩尔定律都揭示了新生技术以指数形式高速发展的规律。

在如今，虽然芯片集成度上升随着半导体工艺节点微缩越来越受到物理极限的挑战而正在变得缓慢，但是从另一个角度来说摩尔定律关于新生技术指数发展的规律正在芯片行业的其他领域发挥规律。在当年摩尔刚提出摩尔定律的时代，半导体行业正处于腾飞的起点，从技术上来说相关积累已经成熟可以快速发展，从市场上来说各种电子产品的需求也让半导体行业市场足够大以满足指数规律发展。

时至今日，摩尔定律的指数发展规律仍然适用于一些芯片市场。一个典型的例子就是人工智能相关芯片。这一轮人工智能的发展从２０１５年开始，如果我们类比当年半导体行业在６０年代的起飞，我们也可以看到人工智能的相关技术经过多年积累在２０１５年开始已经处于爆发的起点，而从市场角度无论是自然语言处理、机器视觉还是推荐系统都对于人工智能有了很强的需求。因此，我们看到了人工智能芯片性能在过去的约１０年间的指数发展。例如，GPU芯片的AI算力在过去十年内基本是每两年性能翻倍，这也是人工智能成为半导体行业最关键的新市场的一个重要标志。

我们认为，摩尔定律指数发展的规律仍将在未来的新兴芯片市场有效。对于半导体人来说，投身这些新兴领域可望能站上指数发展的快车，当然从另一方面，从事相关的公司也必须意识到指数发展的规律是动力也是压力，因为必须能追上市场上同行指数发展的规律才能成为有力的竞争者。

摩尔制定的路线图与后摩尔时代

摩尔当年在描述芯片晶体管集成度每两年翻倍的时候，或许只是想作为一个行业的预测和发展规律。但是随着半导体行业的发展以及与市场密不可分，半导体行业发现如果需要维持整个行业的发展势头以及市场增长，必须维持摩尔定律中描述的指数级增长。在这个时候，摩尔定律就不仅仅是一个对于未来发展的预测，而且是一个半导体行业未来发展的路线图。

这也能解释为什么半导体工艺节点特征尺寸微缩虽然从十五年前开始就遇到物理极限的挑战，但是整个半导体行业仍然不惜代价地投入研发成本让半导体工艺节点特征尺寸继续缩小，因为只有这样才能保证半导体行业不至于落入夕阳产业的陷阱。直到今日，摩尔定律作为一个半导体行业的发展路线图仍然具有强大的生命力，而这也是因为整个行业能不停地提出新的技术解决方案。例如，IMEC在去年公布的半导体工艺路线图中，晶体管的特征尺寸仍然将在未来的十多年中保持每两年集成度翻倍（即晶体管特征尺寸每两年减小到０．７倍）的规律继续缩小，到２０３６年预计晶体管特征尺寸将达到０．２nm，可见摩尔定律中描述的晶体管特征尺寸缩小仍然可以维持很长的一段时间。

但是，后摩尔时代仍然不可避免地要到来。主要原因是，随着晶体管特征尺寸越来越接近物理极限，进一步晶体管特征尺寸已经未必是最合理的路线了，尤其是当目前还有晶体管特征尺寸缩小之外的其他方法可以进一步提升芯片的集成度和性能的时候。如果我们把使用晶体管特征尺寸缩小之外的其他技术路径成为半导体芯片行业的主流驱动力的时代称为后摩尔时代的话，目前看来后摩尔时代最关键的技术就是先进封装和系统级设计。

先进封装技术为芯片系统提供了一个全新的设计思路。使用chiplet等先进封装技术，我们可以把设计规模很大的芯片拆分成多个小的chiplet，并且封装在一起。使用chiplet可以大大增加设计的灵活性（多种不同的chiplet可以组合成不同的产品），降低成本（使用chiplet之后，由于每个chiplet的面积变小，因此整体良率大大上升），改善性能（chiplet和高级封装技术可以提供高带宽满足数据互联的需求），未来可望会成为后摩尔时代的主要技术驱动力。因此，使用先进封装进一步以经济和性能都更合理的方式提高集成度可望成为后摩尔时代的主流。

另一个后摩尔时代的关键思路是系统级设计。在摩尔定律狂飙突进的年代，半导体工艺节点微缩是芯片性能提升的主流驱动力，当年一个经典的案例就是花了大量时间做CPU处理器架构设计的公司最后芯片性能不及Intel使用传统架构但是下一代半导体工艺的产品。但是在后摩尔时代，不再会有单一的主宰技术驱动力，而是芯片性能提升必须从系统层面考虑问题，这里的系统层面包括了应用算法、封装、电路、半导体器件和工艺等等，必须把这些因素全部结合起来考虑，才能实现芯片性能的可持续长久进步。