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论摩尔定律和技术范式
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论摩尔定律和技术范式[1][1]
摩尔定律是IT领域的重要定律，左右相关行业40余年。今日，摩尔定律行将失效之说日盛。本文先试图对种种失效之说进行梳理，其次以摩尔定律为例分析技术范式的特点和作用。
一、摩尔定律行将失效
1965年4月Intel公司的创建者之一，戈登·摩尔在《电子》杂志上预测未来集成电路发展趋势，“硅晶元每平方英寸所能容纳的晶体管数量每12个月将增加一倍”，这就是摩尔定律的前身。1975年，摩尔将翻番的时间从一年调整为两年。后来更准确的时间是半导体上的集成度每18个月提高一倍。这就是摩尔定律。人类对宇宙、粒子物理学、生命以及大脑的认识在几个月内就有可能发生变化，但摩尔定律却在过去将近半个世纪的岁月中屡试不爽，引领半导体业的发展。在这个过程中，摩尔定律曾一再受到人们的怀疑、否定，多少次、多少人试图通过各种方法来“计算”出摩尔定律的极限，但每一次摩尔定律的极限都被新技术、新工艺打破。寻找并突破摩尔定律极限的过程同时也就成为半导体发展的过程。
40多年来摩尔定律之所以成立主要是基于技术和社会经济方面的原因。如果相同面积能集成更多的晶体管，那么芯片的成本就会降低，完成的功能就会越多；同时根据理论计算，芯片上晶体管的尺寸越小，工作频率就越高，速度越快，功耗越小。另一个原因是，随着社会需求的不断提高，一个芯片上所要求的功能越来越复杂，因此，一块芯片上要集成的晶体管也越来越多，如果不缩小晶体管的尺寸，则芯片的面积会变得越来越大，由于在硅单晶制造过程中，不可避免地会在硅的晶格中引入一些缺陷，因此，芯片面积越大，遇到这些缺陷的可能性也就越大。另外，芯片面积大了以后，由于应力作用，会给封装和器件本身的可靠性带来很大的负面影响。这就是为什么要缩小晶体管尺寸和芯片面积的原因。
然而小有小的难处，快有快的难处。摩尔定律目前正面临难以甚至不可逾越的障碍。这些障碍同样可以归为技术自身和社会两方面。技术自身的障碍主要有漏电、功耗、散热和隧道效应等。
当半导体生产工艺在0.18um时漏电率就快速上升，到0.13um时更严重。漏电率快速上升，而晶体管却没有工作，导致能量浪费，由此而产生的热量会大大高于理论值。实际上，随着处理器频率的提高，不久的将来这个百分比可能会上升到40％之多，从而导致CPU温度快速升高，到那时普通的用户根本承受不起昂贵的散热成本。集成电路部件发散的热量会对0.04微米工艺的电路参数造成巨大影响，使得系统很不稳定而不能完成预计的任务。各个晶体管之间的互连线也越来越细，越来越多，连线上耗电成为重大问题。如何实现芯片供电的问题越来越难解决。由于连线电阻的增加产生的电力热也可能造成严重的故障。虽然有效的冷却系统可以降低电脑的内部温度，但同时也需要独立的电源，因此所产生的热和所散的热相当。[2][2]由于无法散发内部工作所产生的热，芯片将无法工作。热噪音的大小与电容呈相反趋势。随着晶体管的不断减小，电容也会随之减小，因此热噪音会增大，热噪音的增大将直接导致“位错误”的增加，大量的位错误会最终毁掉芯片。为了减少缺陷到头来却增加位错。在尺度较大时可以忽略不计或者简单地排除出去的能耗和散热在尺度较小时成了问题。这部分未得到耦合的功能积淀下来，最终影响系统整体的运行。一方面是耗电，另一方面是多余的热，这不由得令人想起眼下时兴的循环经济。能否将多余的热用作能量呢？人类的未来将不得不在各个领域和不同层次与“耗散”作斗争。
再者，晶体管间越来越细的连线也影响到它们处理信号的能力。IEEE的发言人南茜说，在最先进的集成电路中，晶体管每秒钟的开关速度高达10亿次，它们之间的连线几乎已经跟不上这种节奏。导线越细，沿着它传输信号就需要越长的时间。这似乎应验了一句古话：欲速则不达。
当晶体管中二氧化硅绝缘层的厚度减小到几个原子时，电子就能够直接穿透二氧化硅绝缘层，晶体管就会完全丧失功能，由此将直接限制芯片上能够集成的晶体管数量和彼此间的距离。这一失效的原因与上述情况不同，在于进入了新的空间，服从新的规律。
此外，配套技术主要是光刻技术的发展也制约摩尔定律。工艺线宽的缩小强烈的依赖制版技术和刻蚀技术的发展。光刻在半导体上刻出晶体管器件的结构，以及晶体管之间连接的通路。还需要搀杂，沉积，封装等系列芯片工艺手段。光刻是所有芯片产生的第一步，整个芯片工艺所能达到的最小尺寸也是由光刻工艺决定的。集成度越高的芯片需要更微妙的光刻技术来支持。
在经济和社会方面的障碍可以概括为谁来托起平台，以及谁来拉动平台，也就是谁来做，谁来用。
前者主要包含经济、设计和检验。以一条半导体生产线的成本为例，1966年为1400万美元，而今天则是40亿美元，尽管可以不计货币价值的变化，但生产线成本仍然大约每4年就会增加一倍。以半导体掩膜光刻设备为例，193nm紫外光刻设备价格还可以用百万美元计价，下一代半导体掩膜光刻技术——远紫外(EUV)设备则动辄千万美元。处理器生产厂商采用
如果按照摩尔定律的发展，每十八个月就必须对生产工艺进行一次升级，这将耗费大量的资金，并且会出现这样一个现象：当一条生产线的利润刚达到最大时就必须对它进行升级。这样为了摊薄耗资不菲的生产设施投资就必须生产更多的芯片，这就会导致单片芯片利润的降低。当半导体芯片的市场容量已经不足以获得丰厚回报甚至难以摊薄生产投资时，摩尔定律就会被半导体产业所抛弃。格林斯潘曾表示：我们不再需要重大创新，只要将已有的高科技产品好好使用起来，未来10年内，就能确保生产率年均增长3％。我们不知道，格老为何不把这一思想贯彻到金融领域。
芯片预验证复杂化也使摩尔定律举步维艰。每一代IA-32处理器在芯片预验证阶段面临的错误数量都是前一代产品的3～4倍，这主要是处理器微架构复杂性不断提高造成的，如多处理器内核、多线程技术的引入都提高了处理器微架构的复杂性。芯片预验证阶段错误分析和修改都是人员密集型的工作，现在复杂芯片的设计团队的人员数量迅速扩大，意味着人们之间交流失误造成的错误几率也在迅速增加。
后者是谁来消费。数年前，当被问及64位“安腾”处理器将对google产生什么影响时，Google首席执行官Schmidt的回答是：“毫无影响，google并不准备购买这种超级处理器。”这表明google已经决定放弃摩尔定律。人们已经厌倦了厂商们的主频游戏，他们需要的是快乐和方便，而非更快的CPU。超越需求的创新将不可持续（请见“论高技术的极限”）。
我国工程院院士许居衍就曾发表过这样的观点：摩尔定律所进行的是强迫技术升级，并没有将产品按照需求进行升值，反而以每年将近32%的速度按照CPU位数的提升出现贬值。芯片的集成度和性能提高了，但芯片功能的使用效率反而降低了。这样的升级换代并不是科技进步的规律，多数是强迫性的技术升级，迫使许多产品在应用上还没有得到充分的利用就已经直接消失。应用是主导科技发展的原动力，而摩尔定律忽视了这一点，必将会被社会的发展所摈弃。
二、摩尔定律功过
在摩尔定律的创建初期，它是技术自身发展的产物，并在一段时期和一定程度上引领了相关领域技术的发展。
各派技术创新理论和SST（社会塑造技术）等都关注各种因素如何影响技术创新的动力和路径。[3][3]G.多西提出技术范式—技术轨道理论[4][4]，认为技术轨道不仅是各种因素影响的结果，反过来也对经济社会产生技术限定。
技术范式是人们解决技术问题时所依据的一定的技术期望、工艺知识、现有技术水平及资源利用模式等，它规定着技术的领域、问题、程序和任务，具有强烈的“排他性”。技术范式界定了将要满足的需要，用于解决问题的科学原理，是解决所选择的技术经济问题的一种模式。技术范式规定了进一步创新的技术机会和如何利用这些机会的基本程序。一旦规定出技术、经济量纲，技术就在对这些量纲的多维权衡的改进中发展，从而表现出方向性。在一定意义上，摩尔定律就是这样的范式。
技术范式具有认识功能，为科技人员的智力活动提供了思想框架或环境气氛，影响观察事物和解决问题的方式，指导技术人员应该及不应该做什么，以及怎样做。例如，要解决“电信号的放大和开关”问题，技术范式会引导人们选用半导体（如Si）作为材料，利用半导体的物理和化学特性，在范式所规定了的技术经济量纲中权衡（如：电流密度、速度、噪声消除、弥散，频率范围，单位成本等等）。
技术范式具有纲领功能。一是它形成一种信念，例如在摩尔定律的感召下吸引了一批坚定的拥护者；二是在甚至较长的一段时期内，如摩尔定律奏效的40余年，为其拥护者留下各种有待解决的问题，而且提供了解决这些问题的途径。范式不仅对个人的心理或知觉有定向作用，而且对共同体的工作也有定向作用，限定了工作的范围。正是有了这种限制，工作才得以细致深入。科技人员可以将精力聚焦于解难题活动上，不必为没有解的问题浪费时间。例如，研究人员一再地按照下一代半导体生产工艺要求评估各种化学元素的组合方案。高介电率(High-K)材料、金属栅极、应变硅成为各厂商解决半导体漏电率上升的关键。从传统的平面晶体管结构向立体结构晶体管转变，可以改变由薄膜放置控制晶体管升级的规律。此外结合晶体管体偏置技术，可以控制漏电和功耗问题。与此同时，摩尔定律在新材料、新结构的支撑下便又走过了一关。新材料减少漏电的能力将提高100多倍，解决了漏电率上升的问题，也在一定程度上解决了功耗问题。[5][5]
技术范式具有社会功能。在范式的感召之下形成了共同体。不仅是科学家和工程师，投资商也坚信摩尔定律是正确的，再加上半导体作为高科技产业本身具有的高附加值特点，他们完全有把握在最短的时间内，依靠微电子器件性能和规模的指数增长，来获得最大的利益。如果没有摩尔定律作为依据，有几人敢在瞬息万变的半导体行业内作出如此高风险、巨额的投资？而他们在获得成功、成为摩尔定律受益者的同时，也最大限度的维持了摩尔定律的正确性。
技术轨道（由范式所确定的“常规”解题活动）就是在范式所确定的各种技术变量间进行的多维权衡活动。一种技术轨道包含了一批可能的技术发展方向。工程师以及工程师所在的组织，他们的工作和技术思考，都集中在明确的方向上，对其他的技术可能性产生排斥性选择。技术范式界定技术轨道的发展方向，给出技术轨道进行多维权衡所依据的技术经济量纲集合。这个集合规定了技术轨道发展方向的可能性空间。随着1960年荷尼（Honerni）发明平面工艺，把印刷技术引入到半导体工艺技术中，人们试图从曝光的极限来推断出摩尔定律的极限。随着光刻机制作技术的不断提高，从紫外光到深紫外光到电子束，极限不断被打破。当今大生产已经达到90纳米的条宽，实验室里已制作成功15纳米晶体管。曝光波长逐渐缩小，这就是在摩尔定律范式的指导下和范围内，光刻技术单一地沿着波长这一量纲的发展轨道。而所谓“技术进步”就是对这些量纲的权衡的改进。当沿一技术途径前进达到其有关技术和经济量纲的最高水平时即可定义为“技术前沿”。在量纲的可能性空间内，技术轨道具有连续性，而当条宽达到分子量级时即为该量纲的极限，由此可以“跳跃”到新的技术轨道。如果把处于由多种技术、经济量纲所确定的一种多维空间中的技术轨道类比为三维空间中的“圆柱体”的话，那么圆柱体的边缘由技术范式本身的性质所确定，而其高度则对应着技术轨道的可延续性。一次次提出摩尔定律的极限，而一次次都被新技术、新工艺打破。其原因就是范式在“圆柱体”内的引导作用。
Intel将摩尔定律作为一种哲理、一种理念，当作企业文化、精神因素和奋斗动力，由此对Intel公司的创新、发展与维持其优良的竞争势头与骄人地位产生根本影响。几十年来，他们坚信自己有能力制造出更强大的芯片。对此，很可能成为下一届Intel接班人的欧德宁说：“我们现在希望能够在芯片上集成5亿甚至是10亿个晶体管，很快您在设计时将不会再受到单一集成电路的任何限制。届时我们将步入半导体行业的黄金时代，而IT、电信及家电行业则会成为最大的受益者。”这样的决心和人为的战略部署在某种程度上影响了摩尔定律本身。四十年来，这个经验定律反过来指挥半导体业的发展，使之向更有序、更有计划的方向前进。摩尔定律也成为半导体领域里不可替代的第一定律，并在一定程度上带动了其他产业的发展。
成功的技术范式还对其他技术领域具有示范功能。如移动通信及Internet用户数翻一番的周期小于一年，甚至为半年，往往被称作遵从“超摩尔（S-Moore）定律”、“新摩尔（N-Moore）定律”等等。CMOS影像传感器更是符合半导体发展的摩尔定律。佳能刚刚开始采用350nm生产工艺制造CMOS影像传感器两三年，就导致数码单反相机迅速从CCD时代过渡到CMOS时代，从二三百万像素迅速超过了千万像素大关，价格也从10万元跌落到六七千元。由此推断，在未来几年制造出像素数量过亿的CMOS影像传感器也并非难事。TI制造的DLP光学芯片出现也没几年，和LCOS技术大同小异，正在不断推动投影机亮度和分辨率提升、体积小型化，价格也迅速从数万元走低到1万元以下。热泡式喷墨打印机(以佳能和惠普为代表)的分辨率逐步从150dpi、300dpi一直攀升到了4800dpi，原因正在于其喷墨头制造原理类似于半导体制造，使喷嘴密度不断提高。生物信息产业的发展模式也符合摩尔定律，它的两个最主要的限速因素是测序能力、计算机数据处理能力。从1970－1980年代的手工测序到1990年代的机器测序，由平板电泳到毛细管电泳，再到自动化、规模化，测序能力年年翻番，费用持续下降，同时伴随着计算机数据处理能力的持续增长，标志着以摩尔定律的倍速发展为特征的生物信息产业时代的到来。
如果把半导体领域里的摩尔定律称为“狭义摩尔定律”，其他学科中存在的倍增关系则称为“广义摩尔定律”，假如有一天半导体硅技术被其它更先进的技术所取代的话，“狭义摩尔定律”可能消失，而“广义摩尔定律”必将长期存在。摩尔定律的扩展不仅在广度，而且在深度。随着光学计算、生物计算、量子计算以及分子计算技术等的相继兴起，摩尔定律有可能从终点再踏上另一个起点。
在此意义上，我们要接受并融入胸中的已不再是摩尔定律本身，而是其中所隐含、所揭示和被赋予的精神。摩尔定律提倡的“更快、更小、更便宜”理念，正与人类奥林匹克精神“更快、更高、更强”不谋而合，摩尔定律已超出技术领域而成为人类精神宝库的一部分（由后文将可以进一步看到“一部分”的含义）。
摩尔定律之功告诉我们，从根本上说，摩尔定律作为技术范式既具有客观性又具有主观性。前者意为不违背客观规律，这就是前述“圆柱体”的高度；后者则表明范式与人和社会的相互作用。范式引导和规范人的行为，而被规范的人的行为又反过来造就了范式。有些技术范式具有普遍的价值，其蕴涵的精神甚至领域上升为人类的精神。
然而仍需指出，摩尔定律本身也带来了问题。首先，不是什么技术范式都能明白无误说清楚的，往往是一种隐性知识，而摩尔定律可以说差不多就是惟一一条得到直截了当表述而作为编码知识的技术范式。模糊的范式导致模糊的指导，但不僵化，留有更大变通和发展的余地；而摩尔定律的指导是明确的，甚至是命令式的，企业和工程师的目标一目了然，但易于走向僵化，遮蔽了“圆柱体”外的景象，甚至在“圆柱体”走到尽头仍执迷不悟。Intel自身也正受摩尔定律的困扰。摩尔定律成了公司的面子，为了不从摩尔曲线上滑落，需要穷尽一切力量去维护定律。Intel必须要使客户相信其有能力在18个月内将相关技术提高一倍，为此只好投入更多金钱与更先进的技术创意。摩尔定律成为一种盲目的力量，企业对它关注得愈多就愈危险，投入的愈多就愈不能从它的困惑中走出来。虽然产品的性能早已超过了使用所需，但是在市场盲目的追捧下，迫使半导体商一次次地遵循摩尔定律，生产出更先进的产品。“我们离破产永远只有18个月”，比尔•盖茨的这句名言正是对摩尔定律“统治权”的最好诠释。在此，我们清楚地看到海德格尔所言的“促逼”。摩尔本人也曾表示过，即使在芯片业，摩尔定律也不可能始终起着积极作用。
其次，摩尔定律的内容在某种意义上带有机械论的印记。能在一块芯片上做得更多些吗？在这一点上，摩尔定律类似于在研究量子阶梯的更低层次中机械的“一分为二”，也类似于计算机曾经一味地发展巨型机——在此意义上，摩尔定律单一的指向与之可以说是两极相通。这里不是说巨型机不要做，实际上已经做出更大的巨型机，也不是反对更快更小更便宜，而是表明不要将其作为惟一的目标。眼下，试图突破现有技术瓶颈而谋求摩尔定律得以继续发展的行动一再以失败告终，企业每年在该领域的尝试至少达到1000多次，如rilogy Systems和MicroUnity的超级芯片试验，以及IBM的X射线平板印刷术等，最终都胎死腹中。另一个事实是成千上万家曾经追踪摩尔定律的企业最终都退出了这场“游戏角逐”，有些几年前还能看到的大企业已经不复存在。摩尔定律正在成为英特尔，乃至整个半导体产业的"第一符咒"。正如当年PC机走向巨型机的反面而开拓了计算机发展的新途径，那么摩尔定律的思路也有待开拓和突破。毕竟除了更快和更小外，人类还有更重要和根本的需要。这也是上文人类知识宝库“一部分”的含义。此外，摩尔定律还没有考虑到成本。
广义地说，在一种范式或轨道下形成的知识和惯例往往构成向另一种范式或轨道转换的阻力。一般地说，从一个技术轨道转向另一个技术轨道，特别当原有技术轨道力量很强时，是比较困难的。而那些没有传统负担的活动主体反而能较容易地接受新范式，建立新轨道。在此意义上，摩尔定律只是在技术的进化树上两次分岔间的必然阶段。分岔点的来临将为技术的跨越式发展提供机会。
摩尔定律之过警示我们，任何技术范式都有其缺陷、局限和负面影响。缺陷来源于其先天不足及概括抽象过程中本身固有的问题；局限是任何科学原理和技术设计都有其适用的范围；而负面影响则是对人的限定，排他性遮蔽人的视野，技术范式的命令便构成了对人的促逼。人在技术的发展中提出了范式，有必要正确地认识范式、应用范式、超越范式，以及创造新的范式。
[1][1] 本文作者是吕乃基和雍歌，主要在与2004年东南大学无锡华润机电一体化和微电子工程研究生班讨论的基础上写成，本人对学员们表示感谢！同时正因为此，本文没有再去查找第一手资料，笔者在此向读者和有关作者表示歉意！东南大学时龙兴教授对文中涉及的技术问题作了审阅和修改，作者致以衷心的谢意！
[1][2] 由此可以联想起瓦特蒸汽机发明前夕的情况：供应给一个煤矿抽水的纽可门蒸汽机还要一个煤矿。
[1][3] 限于资料和篇幅，本文仅讨论摩尔定律提出后的影响。实际上，怎么会有摩尔定律或许是更大的谜团：在技术的和社会的、历史沿袭和需求拉动、必然影响和偶然因素…，在众多方面的非线性作用下何以以及竟然得出近乎线性的摩尔定律？
[1][4] 有关技术范式和技术轨道的概念主要引自雍歌硕士论文：高技术轨道演进机制（未发表）。
[1][5] 这里可以想起拉卡托斯的“内核”与“保护带”
https://m.sciencenet.cn/blog-210844-230917.html
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