回顾英特尔工艺进程：摩尔定律是在进化不是在消亡

1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔提出以自己名字命名的摩尔定律。该定律指出集成电路上可容纳的元器件的数量每隔18至24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。时至今日，硬件架构和工艺制程已经难以给集成电路带来这样的加成属性，正如英伟达CEO黄仁勋所言，可能10年才能翻2倍。

如果仅仅关注在这一点，摩尔定律可能早就难以为继了，但是大家公开唱衰摩尔定律也就是这一两年的事情，尤其是在2018年。从效果上讲，过往的几十年摩尔定律确实给半导体行业指明了方向，让参与者得到了实惠。但是，我们需要注意的是，摩尔定律是观察出来的定律，而不是类似数学定律和物理定律一样经过严谨地推演计算。

观察而后得出结论是对趋势的预言，有着明显的时代特征。作为摩尔定律的提出方和践行者，英特尔宣称“不死”的摩尔定律每一个时代都在转变，只是大家记住了更广为人知的这一条。当你听过Mark Bohr系统地讲解后，你会发展英特尔奉行的“摩尔定律”还在延续，只是从2018年开始进入下一个形态。

Mark Bohr，英特尔高级院士、技术与制造事业部制程架构与集成总监，在英特尔主持的摩尔定律工作超过40年。Mark在这一领域的成功得到了行业高度认可，他入选了IEEE院士，并获得了2003年IEEE 的安迪·格鲁夫奖和2012年IEEE 西泽润一奖。 2005年，他被选入美国国家工程学院。并因其大力推动行业以求按摩尔定律的速度发展，于2006年入选半导体名人堂。

摩尔定律四个泾渭分明的时代

Mark Bohr自1978年加入英特尔之后，可以说他这些年一直在和半导体制造工艺打交道，在和摩尔定律打交道。Mark Bohr把摩尔定律的发展划分成四个泾渭分明的时代，分别是1986年之前的内存时代；1987年-2002年之间的登纳德缩放定律时代；2003年-2007年的功率限制时代；以及2018年之后的微缩+异构整合时代。

根据Mark Bohr的描述，摩尔定律根本就不是一个一成不变然后持续了40多年的半导体发展定律，而是一个根据不同时代有所变化的定律。根据他的经验，到目前为止有上述四个变化的时代，我们现在经历的是第四阶段。而质疑摩尔定律最凶猛的2018年正好是上一时代和当前时代的交接点。

内存微缩时代

Mark Bohr经历的第一个时代是内存微缩时代，当他1978年进入英特尔时这个时代早已开始，那时的英特尔把业务中心放在了DRAM上，和全球很多公司竞争这一市场。DRAM是在那个时代就已经成为全球的焦点。

那个时候，内存还不能像现在这样叫做内存条，因为内存是直接以DIP芯片的形式安装在主板的DRAM插座上面，每个主板上会焊8-9个内存芯片。容量只有64KB到256KB。

Mark Bohr刚进入英特尔时，人们正致力于批量制造64K DRAM芯片。在内存微缩时代，没什么人在乎节点名称。他们没有将其称为3微米节点，他们将其称为64K节点。

以今天的标准来看，70年代末80年代初的那些DRAM技术非常简单。结构太平面，没有电容器，完全聚焦于模式化、更高的分辨率还有注册等问题。Mark Bohr指出，内存微缩时代工具也并不太行，EUV在64K节点遇到了问题，大家在当时讨论使用电子束写入等其他方法。

在Mark Bohr进入英特尔时，世界上所有的公司都对自身的定位很模糊，大家的观点是只要能做出DRAM内存就可以，不能退出DRAM内存的公司就会有麻烦。那个时代，很多公司消失了，因为他们不能扩充内存容量。

登纳德缩放定律时代

登纳德缩放比例定律（Dennard scaling）又被称为MOSFET scaling，由IBM著名工程师Bob Dennard提出。该定律指出，当晶体管变小时，它们的功率密度保持不变。这意味着功率使用应与区域关联，而与开关的数量无关。

Bob Dennard提出来的这种微缩晶体管的方法，不仅可以提高密度，还可以提高性能，同时降低动态功耗。性能和功耗对内存芯片来说并不是非常重要，但对微处理器芯片来说非常关键。因此，微处理器行业继而崛起，再结合遵循登纳德缩放定律，成为了一个强强组合。

登纳德缩放比例定律让微处理器不仅成为英特尔的主要业务，也成为其他几家公司的主要业务。

在此之前，英特尔和全球大部分公司的业务重心是内存，英特尔将重点转移到微处理器芯片上后，Mark Bohr和英特尔的技术团队开始聚焦于如何开发出更好的逻辑技术。逻辑技术之前仅仅只是英特尔的次要业务。

为了将微处理器业务做好，英特尔认识到尽可能快地推动登纳德缩放定律发展非常重要。

Mark Bohr强调，很多人都不记得这一点，但在大约1993年之前，业界开发新的处理器技术的频率大概是每三年一次。无论是存储技术还是逻辑技术，大约每三年进行一次0.7倍的线性调整。但就在1993年、94年左右，英特尔开始加快这一步伐，开始每两年就开发出一种新的技术和产品。

英特尔提速的原因在于，首先这是一笔大业务，其次这笔业务的竞争异常激烈。所以，商业动机和竞争动机导致了这种加速，无论是英特尔还是那个时代的其他公司都是如此。

登纳德缩放定律时代，Mark Bohr和英特尔的团队尽可能快和积极地在微缩方面推动摩尔定律，试图在晶体管长度和性能方面有所提高，也带来一些创新和微处理器设计，从而获得更高的工作频率。因此，增加晶体管密度和提高工作频率，在消费者的角度看来都是好事，但是当时英特尔付出的代价是高得多的功耗。在登纳德缩放定律时代开始时，微处理器芯片的功耗可能是二、三、四瓦，在这个时代接近尾声的时候芯片功耗增加到一百瓦。

这非常糟糕。原因有二：一，芯片太热了，它开始变得不稳定，或是需要使用外部冷却技术；二，在90年代末2000年初，公众或者说市场对移动应用越来越感兴趣，微处理器芯片用于笔记本电脑和手机而不仅仅是台式机。因此，更长的电池寿命成为开发高效微处理器的强大动力。

到了2000年，登纳德缩放比例定律基本宣告无效了，因为无法确保这些密集的芯片必然会导致功耗降低。

登纳德缩放比例定律时代和我们今天讨论的戈登·摩尔提出的“摩尔定律”类似，大家都知道未来在什么时间点出现什么，但这其实限制了创新。

功率限制时代

登纳德缩放定律时代后期，一些公司也在想办法去解决器件过热问题，比如采用液体冷却。在英特尔内部有很多关于液体冷却技术的讨论和研究。但Mark Bohr认为，至少工程师很快意识到这不是一个非常实用的解决方案。液体冷却对任何台式机处理器都是一项昂贵的附加功能，它肯定与我们当时开始涉足的移动市场不兼容。

大约130纳米，登纳德缩放比例定律结束，半导体进入功率限制时代。这个时代，Mark Bohr及其他工程师就面临着持续发明和创新的需求，比如高K金属栅极、应变硅等，以及电路设计和架构方面的其他需求。所以这既是制程技术人员的一系列发明，也是芯片设计师的一系列发明。

在2003年的90纳米时代，Mark Bohr和团队意识到我们无法再继续缩小传统的使用二氧化硅和多晶硅的晶体管结构，同时不让泄漏率升高。这是不可容忍的。因此他们提出了应变硅，这样仍然可以在栅电极中使用那些常用材料，但又能够在不产生更高功率泄漏的情况下提高晶体管性能。这是功率限制时代所需的多项重要创新中的第一个。

这项技术一直延续到了90和65纳米时代，然后二氧化硅的栅极氧化物泄漏仍然很高。因此，没办法继续下去。于是Mark Bohr和团队集中精力准备高K金属栅极，找到合适的材料，并在2007年将这项发明引入45纳米一代。

随着处理器技术会变得越来越复杂，有更多的遮罩层、更严格的设计规则、更多的材料。于是，Mark Bohr带领团队开发了超微缩技术，在每一步都可以获得更多的面积缩放、更多的密度增长，尽管每一步都需要更长的时间。

功率受限时代不仅仅是制程创新的时代，还有一些重要的微处理器设计和架构创新。

首先，从单核到双核再到多核，现在还有异构核心，可以将较小的低功耗核心与较大的高性能核心组合到一起。其他设计技术例如功率门控，可以关闭不在使用中的电路以节省电力；或者加速模式，让处理器在大多数时间以中等频率运行，但在真正的性能关键应用中运作时可以将频率提高足够长的时间来完成工作。

微缩+异构整合时代

在功率限制时代，要获得最好的系统性能，就需要集合许多不同的功能和特性，而这在相同的技术中并不总是可行的。由于系统既需要高性能的计算，又需要低功耗的计算，需要内存，需要搭载模拟器，还需要通信技术，因此，现在采用芯片堆叠技术进行封装。

Mark Bohr认为现在大家比的不是每平方毫米封装尽可能多的晶体管，而是通过堆叠，在每立方毫米封装更多晶体管。

Mark Bohr表示，进入微缩+异构整合时代后，英特尔依然有优势。首先，英特尔有完全可以批量制造的硅通孔（TSV，Through Silicon Via）技术，英特尔大概20年前就在秘密地研究硅通孔技术；其次，英特尔有最新的Foveros芯片堆叠技术，可以将不同的芯片组合在一个封装中。比如14纳米芯片和10纳米芯片，或者是存储芯片和逻辑芯片，可以通过非常紧密的互连组合成一个小的封装。

结语

我们始终要记得的一点是摩尔定律不是严谨的推算定律，而是一个通过观察得出的结论，在任何一个时代都有其局限性。因此，摩尔定律并不是一个持续了40年或者更久而亘古不变的定律。随着时代的进步和需求的更迭，摩尔定律在不断地发展演变，为当前的时代提出具有参考价值的结论，这才是摩尔定律存在的价值。

2018年，摩尔定律已经进化，进入微缩+异构整合时代，如果你还纠结每两年实现性能翻倍，那就out了。