英特爾：摩爾定律依然有效，還可再戰10年！

9月19日，英特爾精尖製造日活動在北京正式召開。

這是近10年來，英特爾首次在中國進行製造工藝技術的介紹活動。

會上英特爾首次公布了自家最新的10nm工藝技術細節，並深度解析了英特爾的「摩爾定律」，揭開了目前業內關於製程節點命名上的「貓膩」，對於「摩爾定律已死」等言論給予了正面回擊。

摩爾定律是由英特爾創始人之一的戈登·摩爾（Gordon Moore）於半個世紀前提出來的。

其內容為，「當價格不變時，集成電路上可容納的電晶體的數目，約每隔24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

也就是說，同樣的成本下，每隔24個月，性能將提升一倍以上。

這一定律揭示了半導體技術進步的速度。

摩爾定律誕生之後幾十年，半導體製程技術的發展也基本遵循著這一定律向前推進。

反饋在晶片製程工藝命名上，也一直都是以前一代製程的0.7倍對新製程節點命名，因為這樣的升級每一代的電晶體密度正好是上一代的兩倍。

所以，我們可以看到，英特爾90nm、65nm、45nm、32nm、22nm這樣的命名，而且也基本是遵循每兩年升級一代的規則。

但是自2011年下半年英特爾發布了22nm之後，近2年半之後，即2014年上半年，英特爾的14nm工藝才發布（二季度末才量產）。

而在14nm向10nm提升的過程中，英特爾在工藝上遭遇了挑戰，其Tick-Tock策略（即一年提升工藝，一年提升架構）甚至停擺。

時隔3年之後的今天，英特爾才正式發布了新一代的10nm工藝。

這也使得外界對於摩爾定律是否走已經失效產生了疑問，因為英特爾最近這兩代的工藝都間隔了3年左右的時間，似乎打破了摩爾定律每兩年升級一代的定律。

但是細心的網友應該發現，英特爾14nm與之前的22nm的命名並不是0.7倍之間的關係（22nm的0.7倍命名應該是16nm，14nm實際是22nm的0.64倍）。

而且，根據英特爾的數據顯示，從英特爾的32nm開始到後面的22nm，每兩年的時間，電晶體密度（單位面積下電晶體的平均數量）的提升都超過了兩倍（32nm的電晶體密度是45nm的2.27倍）。

雖然英特爾從22nm升級到14nm，以及從14nm升級到10nm的時間周期都超過了兩年，但是對應的電晶體密度也分別提升了2.5倍和2.7倍。

談到電晶體密度，可能有些人不太清楚究竟如何來計算電晶體密度。

英特爾表示，一種簡單的指標就是用柵極距（柵極寬度再加上電晶體柵極之間的間距）乘以最小金屬距（互連線寬度加上線間距），但是這並不包含邏輯單元設計，而邏輯單元設計才會影響真正的電晶體密度。

另一種指標——柵極距乘以邏輯單元高度——是糾正上述缺陷而朝著正確方向邁出的一步。

但是這兩種指標，都沒有充分考慮到一些二階設計規則。

它們都不能真正衡量實際實現的電晶體密度，因為它們都沒有試圖說明設計庫中不同類型的邏輯單元。

此外，這些指標量化了比較上一代的相對密度，而真正需要的是給定面積（每平方毫米）內的電晶體絕對數量。

在另一種極端條件下，用一個晶片的電晶體總數除以面積毫無意義，因為大量設計決策都會對它產生影響——例如緩存大小和性能目標等因素，都會導致這個值發生巨大變化。

其實在摩爾定律提出之時，對於電晶體密度就已經有了一個比較準確的計算公式。

只不過這個公式並沒有像摩爾定律一樣被廣泛的認知。

這個計算公式基於標準邏輯單元的電晶體密度，並包含決定典型設計的權重因素。

儘管任何設計庫中都有各種標準單元，但是我們可以拿出一個普及的、非常簡單的單元——2輸入 NAND單元（4個電晶體），以及一個更為複雜、但也非常常見的單元：掃描觸發器（SFF），結合對應的面積和權重比，最終得出電晶體的密度。

那麼在這個計算公式之下，英特爾的各個工藝節點的密度又是多少呢？

從上面這張圖上我們可以看到，英特爾14nm工藝下的電晶體密度為37.5Mtr/mm²（百萬電晶體/平方毫米），而這個密度是英特爾22nm工藝下電晶體密度的2.45倍。

如果按照摩爾定律每兩年翻一番的標準，兩年半的周期，電晶體數量應該是需要增加2.5倍左右，所以英特爾的14nm工藝的電晶體密度也是基本符合摩爾定律要求的。

而此次英特爾發布的10nm工藝下的電晶體密度則達到了100.8Mtr/mm²，大約是上一代的14nm工藝的2.7倍，也就是說3年左右的時間內，英特爾實現了電晶體密度2.7倍的增長，雖然，略低於本該3倍的增長，但是結合此前幾代超出摩爾定律的增長，英特爾10nm工藝仍然是符合摩爾定律的對於電晶體密度的線性增長要求（如下圖）。

當然，摩爾定律除了要求每兩年電晶體數量翻一番之外，還包括對於性能上的增長，成本上的下降的要求。

可以看到，英特爾每一代工藝的提升都帶來了處理器性能的大幅提升和功耗的大幅下降。

從成本方面來看，雖然晶片每平方毫米的成本是在不斷上升的，但是隨著電晶體密度的提升，同樣數量的電晶體所占的晶片面積是在不斷下降的，所以總體上來看，單位數量下的電晶體的成本不僅沒有增長，而且是一直在下降的。

根據英特爾的數據顯示，其上一代的14nm和新發布的10nm工藝以及未來的7nm工藝都將帶來電晶體成本的下降，雖然下降的幅度相比之前在放緩。

但是，如果結合450mm晶圓技術，則可以進一步減少單位面積下的晶圓成本，從而推動電晶體成本的加速下滑。

通過上面這一系列的數據，我們不難看出，在英特爾的推動下，摩爾定律依然有效，並正在繼續向前推進。

「摩爾定律使計算得以普及。

它是一個非常強大的經濟學定律：按照特定節奏推動半導體製造能力的進步，我們就可以降低任何依賴於計算的商業模式的成本。

」英特爾公司執行副總裁兼製造、運營與銷售集團總裁Stacy Smith稱：「想像一下，如果其它行業以摩爾定律的速度進行創新——性能每兩年翻一番，那會發生什麼？汽車能效：現在只需一加侖汽油，即可行駛相當於地球和太陽之間的距離；農業生產力：現在只用一平方公里土地，即可養活全部地球人；太空旅行：速度現在可以提升至300倍光速。

這也是為什麼摩爾定律如此重要的原因。

」

英特爾高級院士、技術與製造事業部製程架構與集成總監Mark T. Bohr

英特爾高級院士、技術與製造事業部製程架構與集成總監Mark T. Bohr也表示：「逐一實現全新的製程節點變得愈加困難，成本也更加昂貴。

僅僅是把設備安裝到已有晶圓廠中，就要花費70億美元。

這也意味著半導體製造業將繼續整合，因為越來越少的公司能承擔得起推進摩爾定律的成本。

英特爾每年都讓產品價格更低、性能更強。

推進摩爾定律的能力是我們的核心競爭力。

我們確信，至少未來十年內，摩爾定律依然有效！」

此外，為了推動摩爾定律在未來的繼續前進，以及可能的後摩爾時代的到來。

英特爾還積極研究如納米線電晶體、III-V 材料（如砷化鎵和磷化銦）電晶體、矽晶片的3D堆疊、高密度內存、（EUV）光刻技術、自旋電子（一種超越CMOS的技術，當CMOS無法再進行微縮的時候，這是一種選擇，可提供非常密集和低功耗的電路）、神經元計算等前沿項目。

作者：芯智訊-浪客劍