在最先進的芯片中，晶體管像病毒一樣小，也就是大約 50-100 納米（一個納米是百萬分之一毫米）。我們將在本文中看到晶體管的尺寸從 1959年發明集成電路 (IC)到今天是如何演變的。
圖：在顯微鏡下拍攝的芯片彩色圖像。你看到的是晶體管的金屬互連軌道，它們在下面，不可見
摩爾定律，一個自我實現的預言
1965年，戈登·摩爾，英特爾的創始人，發表了著名文章稱，多年來，已成為一種預言：被集成在一個芯片的晶體管數量每兩年增加一倍。這篇文章是電子學史上的一顆真正的寶石，可能是對這一科學和技術分支的后續發展影響最大的文章之一。下圖顯示了摩爾在其著名文章中的內容：
數學中的這種增長有一個名字：指數規律。從那時起，IC 或芯片中晶體管數量的增加（它們是通常的兩種稱呼方式）一直遵循這一趨勢，這在電子世界中被稱為摩爾定律。
這一預測在微電子行業起到了一種“自我實現的預言”的作用，即制造商年復一年地執意要實現。當然，這不僅僅是為了滿足預測，而是為了尋求（并發現）這一趨勢的好處，這種趨勢幾乎對行業產生了“神圣的使命”。當你閱讀摩爾的文章時，仍然令人震驚的是，他在其中做出的預測不僅實現了，而且半個世紀以來他們年復一年地這樣做。在任何其他工業部門中都不容易找到像本次那樣堅定的預測“追逐”。
因此，自從 1950 年代后期問世以來，IC 在接下來的幾年里經歷了前所未有的發展，最初是由美國太空計劃和軍事工業推動的。制造了更多數量的晶體管。如果說最初的 IC 集成了幾十個晶體管，那么幾年后市場上已經有成千上萬的 IC 上市，而今天，有數十億個晶體管的 IC。下圖顯示了這一趨勢：
圖：CPU 和存儲器的摩爾定律。垂直標度是對數的
由于其制造工藝經歷了巨大的發展，因此可以大幅增加 IC 中的晶體管數量。微電子技術采用的程序部分讓人聯想到汽車的大規模生產，這樣在單個硅半導體晶片上，可以同時復制大量相同的完整電路。此過程主要包括在硅表面上印刷多個幾何圖案，這允許定義構成它的每個設備，然后選擇性地沉積各種絕緣和導電材料，以便正確地互連不同的組件. 的 IC，連續重復多次的步驟，直到完成 IC。所有這一切都可以在 IC 制造業真正的瓶頸技術的幫助下成為可能：光刻。
摩爾定律的真正含義是什么？
為了更直觀地了解摩爾定律的含義，想象一下讀者回到過去。前往 1971 年，準備在可容納 2,300 人的禮堂聽歌劇，晶體管數量與當年英特爾制造的第一款微處理器4004集成的晶體管數量完全相同. 如果那個禮堂的容量按照摩爾定律發展，但不改變它占據的空間并在 1982 年恢復原狀，那么 134,000 人將聚集在同一個場地——一個大型足球場的容量和英特爾 286 的容量處理器-。多年后的 2000 年，禮堂的容量已經可以容納東京的全部人口——3700 萬人，與最新版本的英特爾奔騰 III 處理器中的晶體管數量相同——；如果試鏡是在 2011 年進行的，它會遇到 13 億人——中國的全部人口或英特爾酷睿 i7 處理器版本之一的晶體管數量——如果它在 2019 年參加，觀眾本來可以容納 74 億人，也就是說，整個星球的人口 - 以及 IBM z13 存儲控制器中內置的晶體管數量。最后，如果這次試鏡是在 2021 年進行，那么容量會變成相當于兩個地球的容量，因為它要聚集 150 億人，也就是處理器的晶體管數量Bionic A 15（配備新款 iPhone 13 的機型）。如下圖所示：
圖：驚人的摩爾定律
嚴格來說，芯片面積多年來也略有增長，但比例要小得多。比如Intel 4004占用了12mm2（3mm×4mm），而Bionic A 15的表面積為107.7mm2（8.58mm×12.55mm），這樣晶體管的比例就乘以了6870 .000，而區域則為 9。
需要使晶體管越來越小
在芯片上集成越來越多的晶體管意味著減小其尺寸，這帶來了優勢，但代價是增加了制造過程的復雜性。晶體管越小，芯片本身就越小，晶圓上可以安裝的芯片就越多。同時，無論可以從每個晶片獲得多少芯片，處理晶片的成本都保持大致相同。這意味著減小晶體管的尺寸會導致芯片更便宜. 或者，芯片可以保持相同的尺寸，這樣它內部就有更多的組件。這使得它更強大，但不會更昂貴。最重要的是，縮小晶體管的尺寸可以提高它們的性能，而不會增加它們的功耗。也就是說，芯片制造商有強烈的動機縮小晶體管的尺寸。這正是他們在過去幾十年中一直在做的事情，其中芯片上的晶體管數量從數百個增加到數十億個。對于晶體管來說，這是一個驚人的小尺寸。下圖顯示了一個這樣的晶體管：
圖：當前的晶體管與蛋白質或病毒一樣小
要了解這個小尺寸意味著什么，請想象一下，我們將集成晶體管的芯片的尺寸放大，直到它與馬德里社區占據的面積（8,000 平方公里）相似。在這個規模上，每個晶體管將占據或的面積。5平方米，類似于40英寸直徑電視的屏幕面積。
結論
1970 年代開始從事芯片行業的普渡大學教授馬克·倫德斯特羅姆( Mark Lundstrom)于 2003 年為《科學》雜志撰寫了一篇文章，預測摩爾定律將在 2015 年達到物理極限。倫德斯特羅姆說，在他的職業生涯中，他曾多次認為“好了，到此為止了。” 他記得 1975 年參加了他的第一次芯片制造會議。用他的話來說：
“有一個叫戈登摩爾的人在做演講。他在技術界很有名，但沒有人知道他是誰，我記得他的演講。摩爾說：“很快我們就能在一個芯片上放置 10,000 個晶體管。有人可以用芯片上的 10,000 個晶體管做什么？”
今天，市場上的芯片有150 億個晶體管。您的設計師和制造商可以用它們做什么？
資訊來源：半導體行業觀察
