摩爾定律是什麼？為什麼說它慢下來了

摩爾定律（Moore's law）說的是：一塊晶片上的電晶體數量，大約每隔一段時間就翻一倍。它不是物理定律，是 1965 年一位做晶片的工程師高登・摩爾（Gordon Moore）看著資料得出的觀察：他原本說大約每年翻一倍，1975 年改成大約每兩年。新聞說它「放緩」甚至「失效」，是因為電晶體已經小到接近原子，越來越難做、也越來越貴，翻倍的腳步跟不上每兩年了。

摩爾當年到底說了什麼？

1965 年，摩爾在一本電子業的雜誌上寫了一篇短文。那時候積體電路發明才幾年，最複雜的晶片上只有大約 64 個零件（電晶體、電阻這些）。

他把前幾年的數字畫在圖上，只有五個點，卻看得出差不多每年翻一倍。他大膽把線往後畫了十年：到 1975 年，一塊晶片上會有大約六萬五千個零件。每年翻一倍，十年就是翻十次，大約一千倍；64 乘上一千多，就是六萬多。

他看的其實是「最划算」的那個數量：一塊晶片上多塞一些，平均每個零件就便宜一些；塞太多，做壞的晶片變多，反而變貴。所以摩爾定律從一開始，講的就不只是技術，也是錢。

為什麼後來變成「每兩年」，又有人說「18 個月」？

1975 年，摩爾重新估了一次，認為接下來會慢一點，改成大約每兩年翻一倍。後來大家說的摩爾定律，多半是這個版本；之後的幾十年，產業也大致照著這個節奏走。

常聽到的「18 個月」，不是摩爾說的。那是別人把「每個電晶體也變快」算進去，估計晶片的效能大約每 18 個月翻一倍，傳久了就混在一起。連「定律」這個名字，也是後來別人叫開的。

它不是物理定律，那它是什麼？

物理定律，像東西一放手就往下掉，不管人做什麼都成立。摩爾定律不一樣：它是一個觀察、一個預測，要靠很多人一直努力，才會成真。

後來它變成整個產業的目標。業界一起訂出技術路線圖，寫下每一代大約哪一年要做到多小，大家照著這個時程研發。所以常有人說，它是一個「自己讓自己成真」的預言：大家相信會翻倍，就拚命讓它翻倍。

電晶體做小，為什麼晶片又快、又省電、又便宜？

電晶體是晶片裡用電控制的小開關（「電晶體是什麼？」那一篇講得很細）。把它做小，好處有三個：

• 塞得多：同一塊地方放得下更多開關，能做的事更多。
• 快又省電：開關小，切換一次要的電少，切換得也快。
• 便宜：做一片晶圓的錢，每一代就算漲一點，一片上放得下的電晶體卻多了差不多一倍，平均到每一個，就便宜很多。

這三件事一起發生了幾十年。每兩年翻一倍，二十年就是大約一千倍，四十年就是大約一百萬倍。1970 年代初，最早的處理器晶片上只有幾千個電晶體；現在一顆手機晶片上有上百億個，差了幾百萬倍。手機又強又買得起，靠的就是這件事。

新聞說的「幾奈米」，就是這樣一代一代縮下來的名字，現在已經不是真的尺寸了（「新聞說的「2 奈米」」那一篇講過）。

為什麼說摩爾定律慢下來了？

大約從 2010 年代起，很多人觀察到，翻倍的腳步比每兩年慢了一點，原因有三個。

一、尺寸已經逼近原子

矽原子一個挨一個排，1 奈米只排得下幾個。最先進的電晶體裡，有些地方只有幾十個原子寬；閘極底下那層絕緣層，一度薄到只有一、兩奈米，只好換材料。原子沒辦法切一半。小到這種程度，差幾個原子，電晶體的表現就可能不一樣，能再縮的空間越來越少。

二、漏電和發熱壓不下來

電晶體太小，就關不緊，關著還是有一點電溜過去，這叫漏電；絕緣層太薄，電子也會直接穿過去。以前每縮小一代，電壓也跟著降，同一塊面積的耗電差不多不變。大約到 2000 年代中期，漏電大到電壓降不太下去，開關塞得越密，晶片就越燙。

所以電腦處理器的時脈（每秒切換幾次），大約從那時候起就不太往上衝了，改成一顆晶片裡放好幾個核心一起算。

三、每一代越來越難、越來越貴

要印出更細的圖案，曝光機得換波長更短的光；最細的圖案，有時一層要分好幾次曝光才印得出來。一顆晶片要走的步驟越來越多，每一步都可能出錯。蓋一座最先進的晶圓廠，現在動輒上百億美元。縮小省下來的錢，有一部分被越來越貴的機台和越來越多的步驟吃掉了。

那摩爾定律到底失效了沒有？

說法不一，差在定義。如果嚴格要求「每兩年翻一倍，而且每個電晶體更便宜」，現在很難做到，有人就說它已經失效。如果只看「一代比一代塞得更多」，它還在往前，只是慢一點、貴一點，也有人說它還沒結束。業界到現在也沒有共識。

業界現在用什麼方法繼續往前？

光靠照比例縮小不夠了，就換別的路。常說的有這幾條：

1. 改電晶體的形狀：從平平的一片，改成立起來的薄片，再改成把通道四面包住，讓很小的開關也關得緊（「電晶體是什麼？」那一篇講過）。研究單位也在試，把電晶體本身上下疊起來。
2. 往上蓋樓：地面不夠，就往上疊。有些記憶體晶片，早就把存資料的格子一層一層往上疊；晶片和晶片也可以直接疊起來。
3. 用先進封裝拼起來：不把所有東西都做在一顆大晶片上，而是拆成幾小塊，各自用最合適的一代做，再包在同一個封裝裡，靠得很近、接得很密（「新聞說的「先進封裝」是什麼？」）。
4. 更細的光：印最細的那幾層，用的是波長更短的極紫外光（EUV）。

也不是每一種晶片都得追最新的一代：車子、家電裡很多晶片，用舊幾代的作法就夠了（「新聞說的「成熟製程」是什麼？」）。

在 fab24hr 裡

遊戲裡的晶圓廠是虛構的，沒有說它是幾奈米。主線「晶片的一生」的助聽器晶片「螢火」，用的是成熟的一代製程，電晶體不是最小的那一種。可是電晶體越小越會碰到的牆，在研發線上看得到：在「打工人的一天」當爐管研發製程工程師，早班要決定閘極底下那層氧化層長多薄。薄一點，電晶體開關比較快；太薄，電子容易直接穿過去，待機時就漏電，而螢火只靠一顆鈕扣電池。新的製程都是這樣，先在研發線試出來，做穩了才交給量產廠。按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「研發線」，左右滑到研發製程工程師，再點「爐管」那一區。遊戲裡的公司、晶片、人物和數字都是虛構的；摩爾定律的部分照公開的一般資料寫，沒有統一數字的地方只寫量級。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。